我們經(jīng)常被問(wèn)到這樣的問(wèn)題：“我們計(jì)劃運(yùn)行 CFD 仿真，我們還需要對(duì)電機(jī)和螺旋槳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試嗎？我們可能有偏見(jiàn)，但我們的答案始終是肯定的，而且有充分的理由。我們自己執(zhí)行了大量的 CFD 仿真，但我們承認(rèn)，它們并不是獲得有關(guān)推進(jìn)系統(tǒng)的明確答案的方法，它們只是使我們能夠預(yù)測(cè)電機(jī)或螺旋槳的性能。

模擬對(duì)于預(yù)測(cè)在已經(jīng)具有良好特征的系統(tǒng)中改變特定變量的影響特別有用。模擬和現(xiàn)實(shí)之間的差異有多大？這取決于很多因素，例如湍流模型的選擇、網(wǎng)格類(lèi)型和大小、邊界條件和使用的離散化方法。

在本報(bào)告中，我們量化了 60 英寸無(wú)人機(jī)螺旋槳的仿真與現(xiàn)實(shí)之間的差異，結(jié)果如下。

圖 1：安裝在 Flight Stand 150 測(cè)試臺(tái)上的 60 英寸螺旋槳

本報(bào)告總結(jié)了我們完成的測(cè)試和模擬，以確定60 英寸無(wú)人機(jī)螺旋槳的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。Ansys Fluent 軟件用于生成 60 英寸螺旋槳的 CFD 模型，然后使用Flight Stand 150 測(cè)試臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

我們發(fā)現(xiàn)，在 1000 - 2000 RPM 的測(cè)試中，CFD 模擬低估了 69% 的拉力。

模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試在幾周內(nèi)并行進(jìn)行。Ansys仿真旨在模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室空間，包括墻壁、障礙物的接近程度以及房間的整體大小。測(cè)試臺(tái)和推進(jìn)系統(tǒng)也按照其實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)物的確切尺寸進(jìn)行建模。

每個(gè) Ansys 仿真平均需要 10 天時(shí)間，使用配備最新一代 GPU 的計(jì)算機(jī)完成。有時(shí)，仿真會(huì)無(wú)法收斂，并且必須在重新開(kāi)始仿真之前調(diào)整參數(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，我們完成的十幾個(gè)模擬大約需要 20 周的時(shí)間才能運(yùn)行。在模擬之前，我們的團(tuán)隊(duì)在顧問(wèn)的指導(dǎo)下完成了 16 小時(shí)的培訓(xùn)。

同時(shí)，我們使用Flight Stand 150 測(cè)試臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。我們使用 60 kW 電源為測(cè)試臺(tái)供電，安裝有TA150 電機(jī)和 60 英寸螺旋槳。

圖 2：在 Ansys 中建模并在 Flight Stand 150 上測(cè)試的 60 英寸螺旋槳（左）

實(shí)驗(yàn)測(cè)試規(guī)格如下：

測(cè)試區(qū)域：

• 從測(cè)試臺(tái)到后墻的距離 - 3 m

• 從旋轉(zhuǎn)域到頂墻的距離 - 3 m

• 從旋轉(zhuǎn)域到側(cè)壁的距離 - 2.74 m

• CFD 模型：軟件為：Ansys Fluent - 版本 R1 （21.1）

靜態(tài)域的幾何尺寸：

• X - 7.06 m （寬）

• Y - 5.1 m （高度）

• Z - 15.3 m（長(zhǎng)度 - 螺旋槳下游的壁到螺旋槳上游的壁）

防護(hù)網(wǎng)孔：

• 非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格單元

• 網(wǎng)格總數(shù) - 3,181,422

• 螺旋槳邊界上的 6 個(gè)充氣層 - 第一層 1.5 mm，增長(zhǎng)率為 1.2（邊界層未解析）

離散化方案：所有項(xiàng) - 二階逆風(fēng)離散化

湍流模型：K-omega SST（穩(wěn)態(tài)）

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和軟件仿真數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如下：

圖 3：實(shí)驗(yàn)和 CFD 數(shù)據(jù)的拉力與 RPM 曲線

我們開(kāi)發(fā)了一個(gè) Python 腳本，用于使用最小二乘多項(xiàng)式回歸來(lái)查找實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 CFD 數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。這種關(guān)系是僅使用高達(dá) 1900 RPM 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的。此回歸的目標(biāo)是生成如下函數(shù)：

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而采取的步驟如下：

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 CFD 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單獨(dú)的數(shù)組中，并帶有相應(yīng)的 RPM 值。

將二階多項(xiàng)式擬合到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序列和 CFD 數(shù)據(jù)序列。

使用擬合多項(xiàng)式的方程為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)序列和 CFD 數(shù)據(jù)序列生成均勻分布的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

將均勻分布的 CFD 數(shù)據(jù)點(diǎn)存儲(chǔ)在新的“X 數(shù)組”中，將均勻分布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在新的“Y 數(shù)組”中。

為相關(guān)數(shù)據(jù)范圍生成的方程和繪圖如下所示：

圖 4：實(shí)驗(yàn)拉力數(shù)據(jù)的最小二乘曲線擬合

圖 5：CFD 拉力數(shù)據(jù)的最小二乘曲線擬合

圖 6：實(shí)驗(yàn)和 CFD 拉力數(shù)據(jù)的最小二乘回歸

如圖 6 所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和 CFD 數(shù)據(jù)之間存在線性關(guān)系。實(shí)驗(yàn)拉力值大約是 CFD 預(yù)測(cè)拉力值的兩倍。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算測(cè)試臺(tái)動(dòng)力數(shù)據(jù)：

本節(jié)介紹如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以恒定 RPM 估算飛行架結(jié)構(gòu)上螺旋槳的壓力。在 Flight Stand 150 上對(duì)帶有 2 個(gè)葉片的 60 英寸螺旋槳執(zhí)行該過(guò)程，結(jié)果如下所示。

Flight Stand 150 上的力是使用這種方法估計(jì)的，其上安裝了 60 英寸的螺旋槳并以 1932 RPM 的速度旋轉(zhuǎn)。

圖 7：槳葉槳隨時(shí)間變化的 Mx 和 My

我們的結(jié)果表明，CFD 模型能夠預(yù)測(cè)螺旋槳拉力性能，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)相差 69%。

動(dòng)力測(cè)試的理想方法是使用 CFD 仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)表征動(dòng)力總成性能。收集到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，可以在 CFD 數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間建立關(guān)系，這可用于預(yù)測(cè)更高 RPM 的拉力和扭矩值，最高可達(dá)某個(gè)值。

一旦建立了關(guān)系，它就可以用于預(yù)測(cè)系統(tǒng)的性能，只需稍作修改，例如使用具有不同螺距的螺旋槳，或以更高的 RPM 運(yùn)行系統(tǒng)。通常，CFD 可用于進(jìn)行預(yù)測(cè)，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果始終是一個(gè)好主意。如果您想對(duì)電機(jī)和螺旋槳進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們推薦以下拉力測(cè)試臺(tái)之一：