CONVERGE应用拓展：为未来任务优化无人机
随着新型冠状病毒疫苗在世界各地使用，向偏远地区分发疫苗也在面临困难。一种特定的技术开始用于协助分发工作——无人机。自动无人机能够到达缺乏可靠基础设置的偏远地区，并向医院或临时移动诊所提供足够的疫苗。医疗领域并非唯一一个使用无人机的行业，事实上在国防、农业、建筑、快递、摄影摄像和环境等诸多领域应用越来越普遍。无人机市场预计将在未来十年快速增长。空中无人机数量的增加就带来安全性和可靠性提高的要求。Argonne国家实验室计算多物理研究部门的工程师正在利用他们的技术开发计算流体动力（CFD）模型，以帮助设计性能更好的无人机。阿贡实验室的博士后研究院Liu I-Han博士介绍：CFD对无人机设计大有益处，因为我们可以快速地得到结果。比如，我们能预测空气动力学系数并且快速获得不同飞行条件和不同几何形态下的结果。相比于风洞试验或实际飞行测试，CFD仿真可以在设计和研发阶段大大地节省时间和成本。然而由于无人机运动范围大，几何运动以及物理特性复杂，仿真需要的计算量很大。阿贡的工程师们利用CONVERGE 3.0出色的载荷平衡以及并行扩展能力，在合理的时间内完成了无人机模拟。为了开发出可应用于一系列无人机的模型，Liu博士和Roberto Torelli博士研究了两种不同类型的无人机：固定翼无人机和多翼无人机。固定翼无人机Argonne的计算多物理组在汽车系统建模方面有悠久的历史，尤其是内燃机和喷射系统，但外部空气动力学对他们是一个新的领域。在开始整体无人机建模之前，他们模拟了NACA标准翼型，确保对相关物理特性有深入的了解。在完成模型验证后，他们开始模拟固定翼无人机。Liu博士和Torelli博士模拟了先锋RQ-2A无人机，该无人机在二十世纪八九十年代用于军事行动，包括侦查、监视、目标捕捉和评估战斗损伤。这款无人机有大量的实验数据可以用于验证数值结果。先锋无人机几何如图1所示。 图1 固定翼无人机几何Argonne的工程师们使用不可压缩、瞬态、非定常RANS模型来模拟无人机[1]。如图2所示，他们在壁面附近使用嵌入式加密来细化网格，准确模拟飞机周围的流动。此外，他们使用CONVERGE的自适应网格加密（AMR）技术动态细化尾迹区域的网格以捕捉速度梯度。 图2 自适应网格捕捉速度梯度Liu博士和Torelli博士使用升力、阻力和力矩系数表征固定翼无人机特性，并将计算结果和实验风动数据对比。如图3所示，结果吻合度非常好。Argonne的工程师们还分析了尾流中的漩涡结构。当倾斜角为14度时会发生流动分离，翼尖产生的涡流从机翼表面和机身脱落（如图4）。 图3 升力、阻力和力矩系数实验数据和仿真数据比较 图4 固定翼无人机Q-criterion等值面四翼无人机在完成固定翼无人机的研究后，Liu博士和Torelli博士开始模拟四翼机，一种带有四个螺旋桨的多翼机。他们模拟了DJI幻影3无人机，这是一种用于摄影的四翼机。图5是它的几何外形。与固定翼无人机相比，多翼机在仿真方面更困难。Torelli博士说：“当你想到一架四翼机，你会看到一系列旋转的螺旋桨在每个时间步运动，同时和计算网格相互作用。这使我们处理流场解的方式变得复杂，因为你需要把螺旋桨运动考虑到一个新的计算域中。CONVERGE让我们可以使用切割网格单元的方法来解决这个问题，该方法通过计算基础网格和几何体的交点在每个时间步重新定义网格。” 图5 四翼无人机模型首先，Liu博士和Torelli博士模拟了四翼机的一个螺旋桨[2]。他们测试了三种不同的湍流模型：k-ω SST，k-ω Spalart-Allmaras和DES模型。为了模拟近壁面边界流动，他们在螺旋桨周围设置嵌入式网格加密，同时使用AMR捕捉尾迹中的涡结构。用这种方法，他们计算了推力和力矩与螺旋桨转速的关系。如图6所示，这两个参数的趋势和实验数据非常吻合。 图6 推力和力矩系数实验和仿真数据比较然后，Argonne的工程师使用DES湍流模型、固定网格加密和AMR技术模拟了整个四翼机几何。他们计算了无人机表面的压力系数，并通过Q-criterion将尾迹中的漩涡结构可视化。图7(a)显示了螺旋桨尖端旋转过四翼机表面时观察到的高压区域。图7(b)是螺旋桨旋转时桨尖端产生的螺旋涡带。 图7 (a)机身压力系数分布 (b)Q-criterion等值面意义通过CFD获得的结果可以纳入到系统仿真中来评估相关问题，诸如无人机和环境如何交互，现有无人机能否依赖其配备的电池完成任务，某无人机能否在任务中期完成分配给它的新任务等。这种跨平台集成是Argonne工程师们未来的计划。Liu博士介绍：“我下一步的研究尝试将CFD模拟和动态系统团队联系起来，进一步协助无人机设计。我的CFD模拟可以绘制不同范围内的数据map图，比如不同飞行速度或攻角，并提供全面准确的数据用于设计控制系统。”这项研究不仅有助于制造更高效的飞行器，还将确保将来的无人机能完成诸如向需要的社区运送疫苗这样常规的重要任务。参考文献[1] Liu, I.-H.,Torelli, R., Prabhakar, N., and Karbowski, D., “CFD Modeling of Unmanned AerialSystems With Cut-Cell Grids and Adaptive Mesh Refinement,” AIAA SciTechForum and Exposition 2020, AIAA 2020-0538, Orlando, FL, United States, Jan6–10, 2020. DOI: 10.2514/6.2020-0538[2] Liu, I.-H. and Torelli, R., “Numerical Characterization of a Multi-CopterUsing Moving Boundaries and Cut-Cell Grids,” 2021 AIAA Aviation Forum,Online, Aug 2–6, 2021. (accepted)来源：艾迪捷
