بقلم أمان باسوانال
مقدمة
السؤال الذي نتلقاه كثيرًا هو كالتالي: «نحن نخطط لإجراء محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD)، فهل لا نزال بحاجة إلى اختبار محركاتنا ومراوحنا تجريبيًا؟»
قد نكون متحيزين، لكن إجابتنا دائمًا هي نعم، ولسبب وجيه.
نحن نجري الكثير من محاكاة CFD بأنفسنا، لكننا نقر بأنها ليست وسيلة للحصول على إجابات قاطعة حول نظام الدفع، بل تمكننا ببساطة من إجراء تنبؤات حول كيفية أداء المحرك أو المروحة.
المحاكاة مفيدة بشكل خاص للتنبؤ بآثار تغيير متغيرات محددة في نظام موصوف بالفعل بشكل جيد.
ما مدى الفرق بين المحاكاة والواقع؟ يعتمد ذلك على عوامل كثيرة، مثل اختيار نماذج الاضطراب، ونوع الشبكة وحجمها، والشروط الحدية وطرق التقطيع المستخدمة.
في هذا التقرير، قمنا بقياس الفرق بين المحاكاة والواقع لمروحة طائرة بدون طيار (UAV) مقاس 60 بوصة، والنتائج أدناه.
ملخص التقرير
يلخص هذا التقرير الاختبارات والمحاكاة التي أكملناها لتحديد العلاقة بين نتائج المحاكاة العددية والبيانات التجريبية لمروحة طائرة بدون طيار مقاس 60 بوصة.
تم استخدام برنامج Ansys Fluent لإنشاء نموذج CFD لمروحتنا مقاس 60 بوصة، والذي تم اختباره بعد ذلك تجريبيًا باستخدام منصة الدفع فلايت ستاند 150.
ما اكتشفناه هو أنه خلال الاختبارات من 1000 إلى 2000 دورة في الدقيقة، قللت محاكاة CFD من الدفع المتوقع بنسبة 69%.
تم إجراء المحاكاة والاختبارات التجريبية بالتوازي على مدار عدة أسابيع. تم تصميم محاكاة Ansys لمحاكاة مساحة المختبر التجريبية، بما في ذلك قرب الجدران والعوائق والحجم الإجمالي للغرفة. كما تم نمذجة منصة الدفع ونظام الدفع بأبعاد مطابقة تمامًا لنظيراتها الفعلية. استغرقت كل محاكاة Ansys في المتوسط 10 أيام لإكمالها باستخدام جهاز كمبيوتر مزود بوحدة معالجة رسومات من أحدث جيل. في بعض الأحيان، كانت المحاكاة تفشل في التقارب وكان يتعين تعديل المعلمات قبل إعادة تشغيل المحاكاة. بشكل عام، استغرقت عشرات المحاكاة التي أكملناها حوالي 20 أسبوعًا. وقبل المحاكاة، أكمل فريقنا 16 ساعة من التدريب مع مستشار. بالتوازي، أجرينا اختبارات تجريبية باستخدام منصة الدفع فلايت ستاند 150. استخدمنا مصدر طاقة بقدرة 60 كيلو واط لتشغيل المنصة، المثبتة بمحرك TA150 ومروحة مقاس 60 بوصة. الشكل 2: مروحة مقاس 60 بوصة تمت نمذجتها في Ansys (يسار) واختبارها على فلايت ستاند 150 (يمين) منصة الدفع: فلايت ستاند 150 (150 كجم/قوة / 150 نيوتن متر) المحرك: TA150 المروحة: قطر 60 بوصة ESC: Pulse P40 مصدر الطاقة: مصدر طاقة بقدرة 60 كيلو واط من MCB Electronics البرنامج: برنامج فلايت ستاند منطقة الاختبار: المسافة من فلايت ستاند إلى الجدار الخلفي - 3 م المسافة من النطاق الدوار إلى الجدار العلوي - 3 م المسافة من النطاق الدوار إلى الجدران الجانبية - 2.74 م البرنامج Ansys Fluent - الإصدار R1 (21.1) هندسة النطاق الساكن X - 7.06 م (العرض) Y - 5.1 م (الارتفاع) Z - 15.3 م (الطول - الجدار خلف المروحة إلى الجدار أمام المروحة) الشبكة مخطط التقطيع نموذج الاضطراب الشكل 3: منحنى الدفع مقابل دورات المروحة في الدقيقة للبيانات التجريبية وبيانات CFD تم تطوير نص برمجى بلغة بايثون لإيجاد علاقة بين البيانات التجريبية وبيانات CFD باستخدام الانحدار متعدد الحدود بأقل مربعات. تم تطوير هذه العلاقة باستخدام فقطنقاط البيانات التجريبية المتاحة حتى 1900 دورة في الدقيقة. كان الهدف من هذا الانحدار هو إنشاء دالة كما يلي: الخطوات المتخذة لتحقيق ذلك هي كما يلي: يتم عرض المعادلات والرسوم البيانية الناتجة لنطاق البيانات المعني أدناه: الشكل 4: ملاءمة منحنى بأقل مربعات لبيانات الدفع التجريبية الشكل 5: ملاءمة منحنى بأقل مربعات لبيانات دفع CFD الشكل 6: انحدار بأقل مربعات لبيانات الدفع التجريبية وبيانات CFD كما هو موضح في الشكل 6، هناك علاقة خطية بين البيانات التجريبية وبيانات CFD. قيمة الدفع التجريبية تقريبًا ضعف قيمة الدفع المتوقعة بواسطة CFD. يوضح هذا القسم كيفية تقدير قوى الضغط الناتجة عن مروحة على هيكل فلايت ستاند من البيانات التجريبية عند دورات ثابتة في الدقيقة. تم اتباع العملية لمروحة مقاس 60 بوصة بشفرتين على منصة فلايت ستاند 150، والنتائج معروضة أدناه. الفرضية: افتراضيًا، إذا كانت مروحة متوازنة تمامًا مثبتة بوحدة قياس القوة (FMU) تدور بحرية في غياب هيكل المنصة، فإن قياسات «Mx» و«My» ستكون صفرًا. ومع ذلك، في وجود المنصة، في كل مرة تمر فيها شفرة المروحة بجانب الهيكل، يتم إنشاء منطقة ضغط عالٍ بين شفرة المروحة والمنصة. وهذا يتسبب في تسجيل وحدة FMU عزم Mx. يمكن استخدام هذا العزم لتقدير أقصى قوة على المنصة ناتجة عن التفاعل بين السائل والهيكل. في الواقع، المراوح ليست متوازنة تمامًا وقد يكون لدى إحدى الشفرتين (في مروحة ذات شفرتين) دفع أكبر من الأخرى. سيؤدي هذا إلى قياس «My» تذبذبي على وحدة FMU، ويكون الحد الأقصى عندما تكون كلتا شفرتي المروحة بعيدتين بزاوية 90 درجة عن المنصة (الوضع الأفقي للمروحة). في غياب المنصة، سيظهر هذا العزم كقياس «Mx» عندما تكون المروحة محاذية عموديًا وكقياس «My» عندما تكون المروحة محاذية أفقيًا. يظل مقدار هذا العزم الناتج عن مروحة غير متوازنة ثابتًا طوال الدورة ولكنه يتغير باستمرار في الاتجاه. عندما تكون المروحة محاذية عموديًا مع وجود إحدى الشفرات أمام المنصة، فإن المجموع أو الفرق، (حسب كيفية عدم توازن المروحة) بين أقصى قياس «Mx» وأقصى قياس «My» خلال دورة كاملة، هو العزم الناتج الصافي الناتج فقط عن التفاعل بين السائل والهيكل بين المروحة والمنصة. هذه هي الطريقة المستخدمة لتقدير قوة المنصة الناتجة عن التفاعل بين السائل والهيكل. تم تقدير القوة على فلايت ستاند 150 باستخدام هذه الطريقة مع مروحة مقاس 60 بوصة مثبتة عليها وتدور بسرعة 1932 دورة في الدقيقة. تم حساب القوى والعزوم حول المحاور الثلاثة أولًا باستخدام قيم جهد خلايا الحمل الخام. بعد الحصول على هذه القيم، تم رسم «Mx» و«My» فوق بعضهما البعض. الشكل 7: Mx وMy للمروحة على المنصة بمرور الوقت في الشكل أعلاه، تشير المسافة بين خطين أخضرين متقطعين «-.» إلى دورة كاملة واحدة للمروحة. أظهرت نتائجنا أن نموذج CFD كان قادرًا على التنبؤ بأداء دفع المروحة بفرق قدره 69% عن البيانات المقاسة تجريبيًا. يُعد استخدام كل من محاكاة ديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) والاختبارات التجريبية نهجًا مثاليًا لاختبار الدفع وتحديد خصائص أداء نظام نقل القدرة. وبمجرد جمع البيانات التجريبية، يمكن إنشاء علاقة بين بيانات CFD والبيانات التجريبية، واستخدامها للتنبؤ بقيم الدفع وعزم الدوران عند سرعات دورانية أعلى حتى قيمة معينة. وبمجرد إنشاء هذه العلاقة، يمكن استخدامها للتنبؤ بأداء النظام عند إجراء تعديلات طفيفة، مثل استخدام مروحة ذات خطوة مختلفة، أو تشغيل النظام عند سرعات دورانية أعلى. بشكل عام، تُعد CFD مفيدة لإجراء التنبؤات، ولكن من الجيد دائمًا التحقق من صحة النتائج تجريبيًا. إذا كنت ترغب في اختبار محركاتك ومراوحك تجريبيًا، فنوصي بأحد أجهزة اختبار قوة الدفع الموضحة أدناه:الإجراء
المواصفات:
الاختبار التجريبي:
نموذج CFD:
النتائج
حساب قوة المنصة من البيانات التجريبية:
الخلاصة