基于CFD和MBD双向耦合方法的倾转三旋翼无人机气动特性分析

论文摘要

倾转旋翼无人机既具有旋翼飞机垂直起降的功能,又具有固定翼飞机高速、远距离巡航的特点,被众多学者研究。作为倾转旋翼机之一的倾转三旋翼无人机（Tilt Tri-rotor UAV）,相对于倾转两旋翼无人机和倾转四旋翼无人机,具有较好的综合性能。目前对倾转旋翼机只进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,机身固定。该方法并没有考虑无人机在流场中的运动对气动力和流场特性造成的影响,但在仿真分析中,特别是在过渡模式的仿真分析中,倾转旋翼机在流场中的运动对气动特性有很大的影响。本文针对倾转三旋翼无人机直升机模式和过渡模式与复杂大空间计算域动力学仿真问题,发展了一种将完全计算流体动力学和多体动力学（Multi-body Dynamics,MBD）双向耦合应用于倾转三旋翼无人机整体模型的计算方法。在本文的仿真分析中,考虑了倾转三旋翼无人机在流场中的运动,分析了倾转三旋翼无人机直升机模式和过渡模式下的气动特性。采用多层运动嵌套混合网格系统描述旋翼与机身/机翼间的相对运动;针对不同区域的网格,采用不同的网格大小、网格类型和求解方法;结合任意拉格朗日欧拉方法（Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE）和动网格技术描述无人机在网格中的运动;为降低计算成本,提出异步长求解策略。仿真过程中,倾转三旋翼无人机左右两旋翼倾转,转速保持不变,控制后旋翼转速,使无人机的运动在仿真过程中保持稳定。利用“Georgia Tech（GT）”旋翼/机身模型验证CFD求解器的有效性。利用所建立的双向耦合计算方法对倾转三旋翼无人机的直升机模式和三种过渡模式实施仿真,并将双向耦合方法的计算结果与传统的完全CFD方法的计算结果进行对比。计算结果表明,本文提出的双向耦合方法能够准确捕捉倾转三旋翼无人机在直升机模式和过渡模式运动过程中旋翼/机翼/机身间的气动特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 倾转三旋翼无人机气动分析CFD方法
•   2.1 引言
•   2.2 流场控制方程
•   2.3 离散格式
•   2.4 网格系统
•     2.4.1 总体策略
•     2.4.2 倾转三旋翼无人机CFD实体模型
•     2.4.3 多层嵌套混合网格
•     2.4.4 网格生成步骤
•   2.5 任意拉格朗日-欧拉法与动网格技术
•   2.6 边界条件
•     2.6.1 初始条件
•     2.6.2 物面边界
•     2.6.3 远场边界
•   2.7 流场算例验证
•   2.8 本章小结
• 第3章 倾转三旋翼无人机气动分析MBD方法与耦合方法
•   3.1 引言
•   3.2 MBD方法
•     3.2.1 坐标系的定义
•     3.2.2 坐标变换
•     3.2.3 倾转三旋翼无人机多体动力学模型
•   3.3 耦合方法
•     3.3.1 数据传递模式
•     3.3.2 异步长求解策略
•     3.3.3 耦合流程图
•   3.4 本章小结
• 第4章 倾转三旋翼无人机直升机模式气动特性分析
•   4.1 引言
•   4.2 倾转三旋翼无人机直升机模式计算参数
•   4.3 倾转三旋翼无人机后旋翼控制原则
•   4.4 倾转三旋翼无人机直升机模式流场特性
•   4.5 直升机模式耦合方法与传统方法流场对比
•   4.6 本章小结
• 第5章 倾转三旋翼无人机过渡模式气动特性分析
•   5.1 引言
•   5.2 倾转三旋翼无人机三种过渡模式计算参数
•   5.3 倾转三旋翼无人机三种过渡模式的对比
•   5.4 最优过渡模式倾转三旋翼无人机流场特性
•   5.5 最优过渡模式耦合方法与传统方法流场对比
•   5.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴冬

导师: 文桂林

关键词: 双向耦合,倾转三旋翼无人机,直升机模式,过渡模式

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,航空航天科学与工程

单位: 湖南大学

分类号: V211.52

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.001937

总页数: 73

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