ANSYS CFD助力无人机设计优化

科技的发展，总能创造令人意想不到的奇迹，无人机正是一种让人“浮想联翩”的成果。无人机的广泛应用得益于设计理念上的不断创新，这使得CAE仿真技术在无人机的研发设计中举足轻重。

无人机（UAV）是无人驾驶飞机（Unmanned Aerial Vehicle）的简称，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，包括无人直升机、固定翼机、多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机等。

四旋翼飞行器

随着近些年来民用级和消费级无人机市场的高速发展，无人机在航拍、农业、植保、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、气象、新闻报道、电力巡检、影视拍摄等众多领域的应用都呈现出了爆发式的增长。

来看看民用级和消费级无人机市场的龙头企业DJI大疆创新的宣传片，就能感受到无人机的丰富功能和迷人的魅力了。

无人机的设计是一个典型的多学科、多物理场的系统工程，涉及到电磁、结构、流体、热等多个领域，包括天线布局、电机与驱动控制、电磁兼容与安全防护、冲击、碰撞、跌落、气动布局、侧风稳定性等问题，如果使用传统的试验设计手段，通常整个研发设计周期少则数月、多则数年，但借助CAE工程仿真技术效果则会大大不同。ANSYS多物理场仿真技术，能够帮助企业缩短研发设计周期，加快新技术、新工艺的应用，提高产品的市场竞争力，节约研发成本。

ANSYS多物理场仿真技术

接下来，我们聊一聊ANSYS CFD流体仿真技术在无人机设计中的应用。

多旋翼飞行器作为民用级和消费级无人机市场的主力产品，其气动性能设计较为复杂，因为多旋翼飞行器仅能通过调节不同旋翼的电机转速来实现各旋翼的升力变化，进而控制飞行器的姿态和位置，因此其本身是一个不稳定的欠驱动系统。再加上旋翼本身既随着机体一起运动又做自转运动，还需要考虑力矩的平衡、侧风稳定性等问题，而且旋翼之间气动干扰现象非常复杂，难以通过飞行试验或风洞试验获知其详细的气动性能，因此借助ANSYS CFD流体仿真工具对大量的气动布局、配平方案进行遴选和优化就成为了必要的研发设计手段。

四旋翼飞行器沿各自由度的运动

借助ANSYS Workbench的参数化仿真功能，使用ANSYS Fluent对旋翼的气动升力进行参数化仿真分析，获得旋翼在不同转速下的升力曲线。

通过参数化仿真获得旋翼在不同转速下的升力曲线

由于无人机运行环境的复杂多变以及自然风作用的随机性，无人机在飞行过程中经常要受到侧向风的作用，侧向风会影响无人机运行的安全性和稳定性，严重时还会导致无人机的翻转和失控，因此有必要在无人机的设计阶段对侧风稳定性进行深入研究。

使用ANSYS Fluent，对四旋翼飞行器在飞行过程中遭遇5 m/s侧向风时的气动力变化过程进行仿真分析有利于提升无人机运行的安全性和稳定性。

四旋翼飞行器的多面体网格

四旋翼飞行器在侧向风作用下的旋翼及机身风压分布图

四旋翼飞行器在侧向风作用下的旋翼及机身附近流线图

四旋翼飞行器在侧向风作用下的旋翼升力系数变化图

四旋翼飞行器在侧向风作用下的扭转力矩变化图

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