‌基于ANSYS Fluent的大疆无人机气流仿真分析‌

ANSYS 的Fluent是国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。Fluent提供多种多样的网格划分形式和求解方程以供使用者选择，大疆无人机的模型可以从网上下载，如下图所示：

图一 dji无人机模型

第一步：简化模型，网格划分需要模型尽量规整，因此需要对模型进行简化，避免尖椒和零碎面的出现，以及部分无关紧要的细小的零部件特征。直接采用原模型时，无法在最后一步初始化时收敛，本次就直接使用简单的特征代替机身，桨叶不做修改。简化后的无人机模型将机架保留主要的特征尺寸，将机身封闭，保留长宽高和流线型尺寸，以及臂宽和臂厚。尽量减少改动对无人机气动特性的影响

图二机架简化后的无人机模型

第二步：打开workbench，打开geometry、mesh和fluent模块，导入模型，建立旋转域和流体域。这个步骤中采用分模块的方式可以减少仿真过程中产生暂时解决不了的问题重新开始的情况，可以增大容错，减小工作量。

图三 workbench界面中各模块关系图

Fluent的模型中不存在无人机结构，fluent需要的是具有该实体边界形状的流体域（物理实体为空气），即空间中除去无人机占据空间剩下的空气的部分，并且按照运动类型不同进行不同的参数设置。其中主动旋转部分称作旋转域，不动的称为流体域。本次仿真中采用Enclosure和Boolean进行流体域和旋转域的生成（网上有观点再DM（design modeler）中生成的模型网格划分更好，但也看到了有人直接再solidworks中生成流体域，未作细纠），enclosure可以围绕导入实体生成圆柱体（或者盒体，球体等，本仿真中为旋转实例因此选取圆柱体），之后通过布尔减运算将生成的圆柱体除去中间包裹的机架和螺旋桨等实体（注意在大圆柱体中挖去中间四个圆柱体的时候要保留圆柱体），并设置大圆柱上下面为inlet和outlet，系统回自动识别inlet和outlet作为分析是的进出口，最后各部分如下图：

图四实体透视图（左为流体域，右为旋转域）

第三步：进入mesh模块进行网格划分，上一步最终生成了五个实体，分别命名为room和sfan1-4，此时mesh模块界面中应相同，并且connections中会自动识别几个实体的接触部分，为下一步做准备，需要提一下，这一步采用的是fluent meshing模块，并未采用ICEM mesh模块。网格划分是进行有限元分析非常重要的一步，在高校或研究机构外的从业人员（基于商用软件的开发人员）在完成一个任务的大部分时间都在网格划分以及网格的优化中，而在高效或者研究机构中，则更加看重研究人员的基础理论研究，大部分时间在部分开源软件的二次开发和关键方程代码撰写中，并非网格划分不重要，只是占比相对较少。因为更多时间在编写计算方程上。下图是网格划分效果，采取滑移率0.6的滑移网格划分，当期望获得转子-定子作用时间精确解（而不是时间平均解）时，在fluent必须采用滑移网格进行瞬态流场计算。滑移网格是最精确的用于求解多运动参考系问题的模型，然而对计算也是最苛刻的。

图五网格划分效果滑移率0.6 生长率1.2

第四步：设置仿真参数，按照设计树从上到下依次设置。选择transient暂态仿真，check网格保证负体积网格存在。k-epsilon是湍流模式理论中的一种，简称k-ε模型。k-epsilon湍流模型是最常见的湍流模型,属于二方程模型，它适合完全发展的湍流，对雷诺数较低的过渡情况和近壁区域则计算结果不理想。最简单的完整湍流模型是两个方程的模型，要解两个变量，速度和长度尺度。在FLUENT中，标准k-ε模型自从被Launder and Spalding提出之后，就变成工程流场计算中主要的工具了。适用范围广、经济、合理的精度。它是个半经验的公式，是从实验现象中总结出来的。接下来设定不同域的运动情况，对流体域设定材质即可，对旋转域则需要在mesh motion下设定旋转中心和旋转速度，边界条件除了自动识别的内部面和外墙，可以简单按照需求修改在inlet和outlet中不同的进出口条件。本仿真设置为入口匀速1m/S出口恒压与大气压相同。初始化采用混合初始化，混合初始化比较适合复杂的网格划分情况，迭代设置为10次，确保收敛到e^-7内即可，如果网格过于复杂且质量较差，本步骤可能无法收敛，即使通过设置迭代次数保证初始化通过，在后续的计算中也会报错。

图六仿真设置界面

在result中设置选项中设置不同的平面作为云图观测面，并在矢量图中选择矢量图表示风向。运行后在更新result，打开result可得到以下结果：