Von Aman Basawanal
Einleitung
Eine Frage, die wir oft gestellt wird, lautet etwa: „Wir planen, CFD-Simulationen durchzuführen. Müssen wir unsere Motoren und Propeller trotzdem experimentell testen?“
Wir mögen voreingenommen sein, aber unsere Antwort lautet immer Ja, und das aus gutem Grund.
Wir führen selbst zahlreiche CFD-Simulationen durch, stellen jedoch fest, dass sie keine Möglichkeit bieten, definitive Aussagen über ein Antriebssystem zu treffen. Sie ermöglichen uns lediglich, Vorhersagen darüber zu treffen, wie ein Motor oder Propeller möglicherweise abschneidet.
Simulationen sind besonders nützlich, um die Auswirkungen der Änderung bestimmter Variablen in einem bereits gut charakterisierten System vorherzusagen.
Wie groß ist der Unterschied zwischen Simulation und Realität? Er hängt von vielen Faktoren ab, wie der Wahl der Turbulenzmodelle, dem Meshtyp und der Maschengröße, den Randbedingungen und den verwendeten Diskretisierungsmethoden.
In diesem Bericht haben wir den Unterschied zwischen Simulation und Realität für einen 60-Zoll-UAV-Propeller quantifiziert. Die Ergebnisse finden Sie unten.
Zusammenfassung des Berichts
Dieser Bericht fasst Tests und Simulationen zusammen, die wir durchgeführt haben, um den Zusammenhang zwischen numerischen Simulationsergebnissen und experimentellen Daten für einen 60-Zoll-UAV-Propeller zu ermitteln.
Die Software Ansys Fluent wurde verwendet, um ein CFD-Modell unseres 60-Zoll-Propellers zu erstellen, der anschließend experimentell mit dem Flight Stand 150 Schubprüfstand getestet wurde.
Wir stellten fest, dass die CFD-Simulation bei Tests im Bereich von 1000 bis 2000 U/min den Schub um 69 % unterschätzte.
Simulationen und experimentelle Tests wurden über mehrere Wochen hinweg parallel durchgeführt. Die Ansys-Simulation wurde so konzipiert, dass sie den experimentellen Laborraum nachbildet, einschließlich der Nähe von Wänden, Hindernissen und der Gesamtgröße des Raums. Der Schubprüfstand und das Antriebssystem wurden ebenfalls in den exakten Abmessungen ihrer realen Gegenstücke modelliert. Jede Ansys-Simulation dauerte durchschnittlich 10 Tage, wobei ein Computer mit einer GPU der neuesten Generation verwendet wurde. Gelegentlich konnte die Simulation nicht konvergieren, und die Parameter mussten vor dem Neustart der Simulation angepasst werden. Insgesamt dauerte die Durchführung der zwölf von uns abgeschlossenen Simulationen etwa 20 Wochen. Vor den Simulationen absolvierte unser Team eine 16-stündige Schulung mit einem Berater. Parallel dazu führten wir experimentelle Tests mit dem Flight Stand 150 Schubprüfstand durch. Wir verwendeten ein 60-kW-Netzteil zur Stromversorgung des Prüfstands, der mit einem TA150-Motor und einem 60-Zoll-Propeller ausgestattet war. Abbildung 2: 60-Zoll-Propeller, modelliert in Ansys (links) und getestet auf dem Flight Stand 150 (rechts) Schubprüfstand: Flight Stand 150 (150 kgf / 150 Nm) Motor: TA150 Propeller: 60 Zoll Durchmesser ESC: Pulse P40 Stromquelle: 60-kW-Netzteil von MCB Electronics Software: Flight Stand-Software Testbereich: Abstand vom Flight Stand zur Rückwand - 3 m Abstand vom rotierenden Bereich zur oberen Wand - 3 m Abstand vom rotierenden Bereich zu den Seitenwänden - 2,74 m Software Ansys Fluent - Version R1 (21.1) Geometrie des statischen Bereichs X - 7,06 m (Breite) Y - 5,1 m (Höhe) Z - 15,3 m (Länge - Wand hinter dem Propeller bis Wand vor dem Propeller) Netz Diskretisierungsschema Turbulenzmodell Abbildung 3: Schub-Drehzahl-Kurve der experimentellen und CFD-Daten Es wurde ein Python-Skript entwickelt, um mithilfe einer Polynomregression nach kleinsten Quadraten einen Zusammenhang zwischen den experimentellen Daten und den CFD-Daten zu finden. Dieser Zusammenhang wurde mithilfe der AUSSCHLIESSLICH verfügbaren experimentellen Datenpunkte bis 1900 U/min entwickelt. Ziel dieser Regression war es, eine folgende Funktion zu erstellen: Die Schritte zur Erreichung dieses Ziels sind wie folgt: Die generierten Gleichungen und Diagramme für den betreffenden Datenbereich sind unten dargestellt: Abbildung 4: Kleinstquadratische Kurvenanpassung der experimentellen Schubdaten Abbildung 5: Kleinstquadratische Kurvenanpassung der CFD-Schubdaten Abbildung 6: Kleinstquadratische Regression der experimentellen und CFD-Schubdaten Wie in Abbildung 6 zu sehen ist, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen den experimentellen Daten und den CFD-Daten. Der experimentelle Schubwert ist ungefähr doppelt so hoch wie der durch CFD vorhergesagte Schubwert. Dieser Abschnitt erklärt, wie die Druckkräfte eines Propellers auf die Struktur des Flight Stands aus experimentellen Daten bei konstanter Drehzahl geschätzt werden. Das Verfahren wird für einen 60-Zoll-Propeller mit 2 Blättern auf dem Flight Stand 150 angewendet, und die Ergebnisse werden unten dargestellt. Grundannahme: Hypothetisch würde ein perfekt ausbalancierter Propeller, der an der Kraftmesseneinheit (FMU) befestigt ist, in Abwesenheit einer Standstruktur frei rotieren, dann wären die Messwerte von „Mx“ & „My“ Null. In Anwesenheit eines Stands entsteht jedoch jedes Mal, wenn ein Propellerblatt an der Struktur vorbeizieht, ein Hochdruckbereich zwischen dem Propellerblatt und dem Stand. Dies führt dazu, dass die FMU ein Mx-Moment registriert. Dieses Moment kann verwendet werden, um die maximale Kraft auf den Stand aufgrund der Fluid-Struktur-Interaktion zu schätzen. In Wirklichkeit sind Propeller nicht perfekt ausbalanciert und könnten ein Blatt haben, das mehr Schub erzeugt als das andere (bei einem Propeller mit zwei Blättern). Dies würde zu einer oszillierenden „My“-Messung auf der FMU führen, wobei das Maximum auftritt, wenn sich beide Propellerblätter um 90 Grad vom Stand entfernt haben (horizontale Position des Propellers). In Abwesenheit eines Stands würde dieses Moment als „Mx“-Messung erscheinen, wenn der Propeller vertikal ausgerichtet ist, und als „My“-Messung, wenn der Propeller horizontal ausgerichtet ist. Die Größe dieses Moments aufgrund eines unbalancierten Propellers bleibt während eines Zyklus konstant, ändert jedoch kontinuierlich ihre Richtung. Wenn der Propeller vertikal ausgerichtet ist und ein Blatt sich vor dem Stand befindet, ist die Summe oder Differenz (abhängig davon, wie der Propeller unbalanciert ist) zwischen der maximalen „Mx“-Messung und der maximalen „My“-Messung während eines vollständigen Zyklus das resultierende Moment, das rein aufgrund der Fluid-Struktur-Interaktion zwischen dem Propeller und dem Stand entsteht. Dies ist die Methode, die zur Schätzung der Standkraft aufgrund der Fluid-Struktur-Interaktion verwendet wird. Die Kraft auf den Flight Stand 150 wurde mit dieser Methode geschätzt, wobei ein 60-Zoll-Propeller darauf montiert und mit 1932 U/min gedreht wurde. Die Kräfte und Momente um die drei Achsen wurden zunächst anhand der Rohwerte der Spannung der Lastmesszellen berechnet. Nach dem Erhalt dieser Werte wurden „Mx“ & „My“ übereinander geplottet. Abbildung 7: Mx und My für Propeller auf Stand über die Zeit In der obigen Abbildung zeigt der Abstand zwischen zwei grünen Strich-Punkt-Linien „-.“ eine volle Umdrehung des Propellers. Unsere Ergebnisse zeigten, dass ein CFD-Modell in der Lage war, die Propeller-Schubleistung mit einer Abweichung von 69 % gegenüber den experimentell gemessenen Daten vorherzusagen. Ein idealer Ansatz für Antriebstests kombiniert CFD-Simulationen und experimentelle Tests, um die Leistung des Antriebssystems zu charakterisieren. Sobald die experimentellen Daten gesammelt wurden, kann ein Zusammenhang zwischen den CFD-Daten und den experimentellen Daten hergestellt werden, der genutzt werden kann, um Schub- und Drehmomentwerte für höhere Drehzahlen bis zu einem bestimmten Wert vorherzusagen. Sobald ein Zusammenhang hergestellt wurde, kann er genutzt werden, um Vorhersagen über die Leistung des Systems mit geringfügigen Änderungen zu treffen, wie der Verwendung eines Propellers mit einer anderen Steigung oder dem Betrieb des Systems bei höheren Drehzahlen. Im Allgemeinen ist CFD nützlich für Vorhersagen, aber es ist immer eine gute Idee, die Ergebnisse experimentell zu validieren. Wenn Sie Ihre Motoren und Propeller experimentell testen möchten, empfehlen wir einen der unten aufgeführten Schubprüfstände:Verfahren
Spezifikationen:
Experimenteller Test:
CFD-Modell:
Ergebnisse
Berechnung der Standkraft aus experimentellen Daten:
Fazit