无人机动力系统测试-实测数据与CFD模拟仿真数据关联对比分析

我们经常被问到这样的问题：“我们计划运行 CFD 仿真，我们还需要对电机和螺旋桨进行实验测试吗？我们可能有偏见，但我们的答案始终是肯定的，而且有充分的理由。我们自己执行了大量的 CFD 仿真，但我们承认，它们并不是获得有关推进系统的明确答案的方法，它们只是使我们能够预测电机或螺旋桨的性能。

模拟对于预测在已经具有良好特征的系统中改变特定变量的影响特别有用。模拟和现实之间的差异有多大？这取决于很多因素，例如湍流模型的选择、网格类型和大小、边界条件和使用的离散化方法。

在本报告中，我们量化了 60 英寸无人机螺旋桨的仿真与现实之间的差异，结果如下。

报告摘要

本报告总结了我们完成的测试和模拟，以确定60 英寸无人机螺旋桨的数值模拟结果和实验数据之间的关系。Ansys Fluent 软件用于生成 60 英寸螺旋桨的 CFD 模型，然后使用Flight Stand 150 测试台对其进行实验测试。

我们发现，在 1000 - 2000 RPM 的测试中，CFD 模拟低估了 69% 的拉力。

模拟和实验测试在几周内并行进行。Ansys仿真旨在模拟实验实验室空间，包括墙壁、障碍物的接近程度以及房间的整体大小。测试台和推进系统也按照其实时对应物的确切尺寸进行建模。

每个 Ansys 仿真平均需要 10 天时间，使用配备最新一代 GPU 的计算机完成。有时，仿真会无法收敛，并且必须在重新开始仿真之前调整参数。总的来说，我们完成的十几个模拟大约需要 20 周的时间才能运行。在模拟之前，我们的团队在顾问的指导下完成了 16 小时的培训。

同时，我们使用Flight Stand 150 测试台进行了实验测试。我们使用 60 kW 电源为测试台供电，安装有TA150 电机和 60 英寸螺旋桨。

图 2：在 Ansys 中建模并在 Flight Stand 150 上测试的 60 英寸螺旋桨（左）

实验测试规格如下：

测试台：Flight stand 150 （150 kgf / 150 Nm）
电机：TA150
螺旋桨：直径 60 英寸
电调：脉冲 P40
电源：MCB Electronics 的 60 kW 电源
软件： Flight Stand 软件

测试区域：

从测试台到后墙的距离 - 3 m
从旋转域到顶墙的距离 - 3 m
从旋转域到侧壁的距离 - 2.74 m
CFD 模型：软件为：Ansys Fluent - 版本 R1 （21.1）

静态域的几何尺寸：

X - 7.06 m （宽）
Y - 5.1 m （高度）
Z - 15.3 m（长度 - 螺旋桨下游的壁到螺旋桨上游的壁）

防护网孔：

非结构化多面体网格单元
网格总数 - 3,181,422
螺旋桨边界上的 6 个充气层 - 第一层 1.5 mm，增长率为 1.2（边界层未解析）

离散化方案：所有项 - 二阶逆风离散化

湍流模型：K-omega SST（稳态）

实测数据和软件仿真数据对比结果如下：

我们开发了一个 Python 脚本，用于使用最小二乘多项式回归来查找实验数据和 CFD 数据之间的关系。这种关系是仅使用高达 1900 RPM 的实验数据点开发的。此回归的目标是生成如下函数：

为实现这一目标而采取的步骤如下：

将实验数据和 CFD 数据存储在单独的数组中，并带有相应的 RPM 值。

将二阶多项式拟合到实验数据序列和 CFD 数据序列。

使用拟合多项式的方程为实验数据序列和 CFD 数据序列生成均匀分布的数据点。

将均匀分布的 CFD 数据点存储在新的“X 数组”中，将均匀分布的实验数据存储在新的“Y 数组”中。

使用这些新数组，使用 python 函数 np.polyfit（）在 'X array' 和 'Y array' 之间拟合多项式函数。

为相关数据范围生成的方程和绘图如下所示：

如图 6 所示，实验数据和 CFD 数据之间存在线性关系。实验拉力值大约是 CFD 预测拉力值的两倍。

根据实验数据计算测试台动力数据：

本节介绍如何根据实验数据以恒定 RPM 估算飞行架结构上螺旋桨的压力。在 Flight Stand 150 上对带有 2 个叶片的 60 英寸螺旋桨执行该过程，结果如下所示。

前提

假设，如果一个完美平衡的螺旋桨连接到力测量单元（FMU）在没有测试台结构的情况下自由旋转，那么'Mx'和'My'的测量值将为零。然而，在存在测试台的情况下，每次螺旋桨叶片经过结构时，螺旋桨叶片和测试台之间都会形成一个高压区。这会导致 FMU 探测到一个 Mx 矩。该弯矩可用于估计由于流-固耦合而在机架上的最大力。

实际上，螺旋桨并不是完美平衡的，并且一个叶片可能比另一个叶片产生更大的拉力（对于两个叶片螺旋桨）。这将导致 FMU 上的振荡 'My' 测量值，最大值是当两个螺旋桨叶片与测试台成 90 度角时（螺旋桨的水平位置）。在没有测试台的情况下，当螺旋桨垂直对齐时，此力矩将显示为“Mx”测量值，当螺旋桨水平对齐时，此力矩将显示为“My”测量值。由于螺旋桨不平衡而导致的此力矩的大小在整个周期中保持不变，但方向不断变化。

当螺旋桨与测试台前面的一个叶片垂直对齐时，在整个周期内最大 'Mx' 测量值和最大 'My' 测量值之间的和或差（取决于螺旋桨的不平衡程度）是纯粹由于螺旋桨和测试台之间的流体-结构相互作用而产生的合力矩。这是用于估计由于流-固耦合引起的林分力的方法。

Flight Stand 150 上的力是使用这种方法估计的，其上安装了 60 英寸的螺旋桨并以 1932 RPM 的速度旋转。

绕三个轴的力和力矩首先使用称重传感器电压原始值计算。在获得这些值后，'Mx' 和 'My' 被绘制在彼此的顶部。