气动参数对农用电动飞翼无人机续航性能的影响研究

发布时间：2020-10-19 17:05

　　 随着农业低空遥感技术的快速发展,目前在我国的农业生产中,无人机作为农情信息监测以及相关数据采集的工具,发挥着越来越重要的作用,而电动飞翼无人机由于其结构布局简单、飞行效率高的优点,也越来越多的被引入到农业低空遥感领域,为现代化农情信息的采集提供更为稳定、精准的载体平台。本文主要通过CFD数值模拟和飞行试验验证相接合的方法,研究了后掠角和展弦比变化对农用电动飞翼无人机气动特性的影响,从而得到飞翼无人机的最佳总体参数组合,并以此来提高农用电动飞翼无人机的巡航作业时间。本文的主要研究内容以及结论如下:(1)论文选取航测作业人员使用比较广泛的飞翼布局无人机作为研究对象,根据所研究农用电动飞翼无人机的飞行作业要求,确定出该农用电动飞翼无人机在正常巡航作业下展弦比以及后掠角的参数范围,针对这两个气动参数,设计出了25组飞翼布局无人机,并根据已知的翼型坐标数据利用Catia软件建立了翼型的二维模型,另外利用参数化建模的方法建立了25组不同布局飞翼无人机的三维模型。(2)通过对标准翼型N60气动特性的数值仿真计算验证了合理的网格划分、适当湍流模型的选取以及相关计算条件的设置,可以使Fluent仿真的外流场很好的模拟无人机的实际流场,计算得出的升组特性也有很好的准确度。另外还通过空气动力学相似性原理得出了计算本文所研究无人机气动特性时需要的仿真参数状态设置。(3)对农用电动飞翼无人机翼型的气动特性进行了数值模拟分析,得出当飞行速度为12m/s、巡航高度为100m时,翼型升阻比最大所对应的迎角为8°。由于翼型最大升阻比所对应的迎角指示飞机的最佳巡航迎角,因此得出本文所研究飞翼无人机在同样飞行作业状态下的最佳巡航迎角为8°。(4)利用Fluent软件计算分析了25组不同气动参数组合飞翼无人机在巡航状态下的升阻特性,通过比较发现:在本文研究的范围内,展弦比一定的情况下,随着后掠角的增加,无人机的升阻比先增加后减小,并且后掠角为30°时的无人机,其升阻比达到最大值;当后掠角一定的情况下,本文研究的飞翼无人机,其升阻比随着无人机展弦比的增大而增加。(5)结合电动无人机航时的影响因素,最终得出:对于本文所设计的25组不同气动参数组合的无人机而言,当动力系统效率以及无人机重量一定的前提下,后掠角为30°、展弦比为3.0时的农用电动飞翼无人机,其正常巡航作业的续航时间以及飞行效率要优于其他气动参数组合。(6)根据农用电动飞翼无人机的巡航作业参数重新对无人机的动力系统以及控制系统进行选型以及样机制作,并在动力系统效率以及无人机重量一定的前提下对两个试验样机(原始布局以及优化布局无人机)进行了飞行试验。试验结果表明:后掠角为30°、展弦比为3.0时的农用电动飞翼无人机,其正常巡航作业的续航时间以及飞行效率要优于原始布局无人机,说明通过数值模拟计算的方法得到飞翼无人机最佳总体参数组合,以此来提高农用电动飞翼无人机巡航作业时间方案的可行性。
【学位单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S25
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景
        1.1.1 无人机低空遥感的应用
        1.1.2 低空遥感无人机平台
    1.2 研究目的和意义
    1.3 国内外研究进展
        1.3.1 飞翼布局无人机研究现状
        1.3.2 低速飞翼布局无人机气动特性研究现状
    1.4 研究内容及方法
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 研究方法
第二章 无人机气动参数设计及几何建模
    2.1 研究机型的选取
    2.2 无人机优化状态的确定
    2.3 无人机的基本优化思路
    2.4 无人机的气动参数设计
        2.4.1 机翼面积的确定
        2.4.2 机翼展弦比范围的确定
        2.4.3 机翼后掠角范围的确定
    2.5 无人机的翼型建模与三维实体参数化建模
        2.5.1 翼型数据获取
        2.5.2 无人机翼型的二维建模
        2.5.3 无人机的三维参数化建模
    2.6 本章小结
第三章 无人机的外流场数值模拟方法验证及翼型气动分析
    3.1 计算空气动力学方法
        3.1.1 流动控制方程
        3.1.2 湍流模型
        3.1.3 壁面边界层高度
    3.2 无人机外流场数值模拟方法的验证
        3.2.1 无人机外流场数值模拟方法验证的原理及目的
        3.2.2 无人机外流场数值模拟方法验证的标模选取
        3.2.3 标模翼型N60几何模型的建立
        3.2.4 标模翼型N60计算网格的生成
        3.2.5 标模翼型N60的气动特性分析
        3.2.6 标模翼型N60数值模拟结果与风洞试验结果的对比分析
    3.3 无人机翼型的气动特性计算与结果分析
        3.3.1 计算模型和网格划分
        3.3.2 无人机翼型气动特性的数值计算
        3.3.3 无人机翼型的气动特性分析
    3.4 本章小结
第四章 无人机的气动性能计算与布局参数分析
    4.1 原始布局无人机气动特性的数值模拟计算
        4.1.1 原始布局无人机计算网格的生成
        4.1.2 原始布局无人机的飞行状态分析与气动特性计算
        4.1.3 原始布局无人机的气动特性分析
    4.2 后掠角和展弦比对无人机气动特性的影响研究
        4.2.1 后掠角对无人机气动特性的影响
        4.2.2 展弦比对无人机气动特性的影响
    4.3 后掠角和展弦比对无人机续航性能的影响研究
        4.3.1 后掠角对无人机续航性能的影响
        4.3.2 展弦比对无人机续航性能的影响
        4.3.3 不同气动参数组合无人机的续航性能分析
    4.4 本章小结
第五章 不同气动参数组合无人机的飞行试验研究
    5.1 飞行试验的目的
    5.2 试验样机的硬件选型与组装调试
        5.2.1 动力系统的选型
        5.2.2 控制系统的选型
        5.2.3 试验样机的组装与调试
    5.3 飞行试验方法和内容
        5.3.1 飞行试验的方案设计
        5.3.2 飞行试验条件
        5.3.3 飞行试验
    5.4 飞行试验结果分析
        5.4.1 飞行试验的数据获取与记录
        5.4.2 相同时间下不同试验无人机的电池耗电情况对比
        5.4.3 相同电池电量下不同试验无人机的飞行时间对比
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
致谢
作者简介

【参考文献】

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本文编号：2847479