【Ansys Fluent】空拍機葉片轉速與配重的控制影響
為何需要做空拍機模擬
在小型的空拍機研發中，因機身重量較輕(約小於1Kg)，故可進行直接實驗測試，運用風洞空間並且在地面等周遭環境裝設防撞棉等材料，避免在完成初步葉片形狀及機身重量設計配置後，決定匹配之轉速Function過程之中，在葉片轉速動輒數千轉至萬轉下，造成過多的成本產生；再來就是在消費級空拍機使用的零組件較小，製造成本級時間短，組件材料較容易獲得。
然若在大型空拍機上，例如軍用、農用等目的之空拍機，第一機身較重、三軸轉動慣量不同，且與葉片設計之間造成之空氣動力對應上浮力、旋回力等6個自由度的運動加速度、角加速度均有差異，葉片轉速變化造成之扭力(Torque)、以及推力(Thrust)改變對應機身運動的敏感度均有不同；且就是大型空拍機之各項零組件均要為昂貴，動態測試綜合機身重量、配重、以及葉片的轉速參數之成本較高。
空拍機基本轉速設置、氣流場狀況
本案例採用Ansys CFD Premium之紊流、密度重力、6-DoF、MRF(Moving Reference Frame)、Dynamics Mesh等內建求解器，搭配自定義程式碼UDF(User defined function)，進行Dynamic Mesh與MRF求解器之結合已進行分析。
本案例之基本轉速設置及方向如下圖2，壓力場如下圖3。由圖4可以發現依據個葉片轉種方向，葉片正面(正壓面)造成較大的壓力，而葉背(背壓面)有較小的壓力。而在圖3中，可發現#1及#2葉片在空拍機前端(圖片上端)向中心互相壓擠空氣、#3及#4亦是在空拍機的尾端(圖片下端)相互擠壓空氣，因而氣壓力左右互相抵消，不會有機身旋轉現象。
要讓空拍機身向左以質心為旋轉中心旋迴，在一定的上升浮力下，則必須同時提高第1及第4葉片之轉速、降低第2及第3葉片轉速，進而讓#1及#2葉片、#3對應#4葉片向中心壓擠的壓力失衡，導致在#1對應#2葉片之#1有較強的向右推力、#3對應#4葉片之#4有較強的向左推力，以讓機身可以向左旋轉(逆時針)。
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葉片旋轉方向示意圖
流場壓力分佈圖
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葉片正面、葉背表面壓力分佈
機身轉動的葉片轉速設定與運動慣量分析
在一定的轉動慣量下，四個葉片採用的轉速隨時間的變化如圖(5，其中5-a為#1、#4葉片轉速、而5-b為#2、#3葉片轉速，單位：rad/s)、輸出的扭力以及轉動之角度隨時間的變化如圖(6、7)。經比對圖表發現，風扇的輸入轉速與扭力相依性高，然固體的慣性力在約在0.75秒後、轉速回歸到4個葉片轉速一致下，機身角度仍然在持續增加，這裡顯示慣性力的作用。
5-a #1、#4葉片轉速圖
5-b #2、#3葉片轉速圖
圖6
圖7
同樣葉片設計、不同配重下之運動效能分析
在總質重不變狀況下，測試模型分為向旋轉中心往外對應分配的的質重，分為輕、中及重。對應到RBD(Rigid-Body Dynamics的區分，影響的參數為轉動慣量，輕、中、重三個配置的轉動慣量比例分別為1/5、1、10，其中第三項說明的Case即為轉動慣量比例為1之設定。
在與前述一樣的葉片轉速設定下，比對三種不同設定的空拍機身角度隨時間的變化。如圖8所示，當轉動慣量愈小，一樣的葉片轉速設定，一樣的時間內，轉動的角度愈大。
以案例的葉片轉速設定，當到達一秒時，質量愈集中在質心(轉動慣量最小)的Case幾乎轉了3圈，而質量分佈離質心較遠居中的Case大約為0.7圈，最重的Case約為0.07圈。
以這樣的模擬流程，可搭配不同的葉片設計，產出不同的扭力、不同的機身配重、獲得不同的設計搭配下，其機身運動之最佳的設計，小結如下：
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較小的轉動慣量在一定的葉片設計下，可以得到較高的轉動效率。
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較高的轉動效率，意即在定位(定角度)轉動上，需要更大的剎車轉速(對於機身反方向作用力的葉片轉速設定)來進行到點停止，表示在旋轉的過程中，需要有比較多的時間提供較大的風扇扭力，也就是電力，這時若飛航之續航力是主要考量，則是相對劣勢的。
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搭配較小的轉動慣量，意即可以用較低的葉片轉速來因應，較更不容易運動超過機身的期望轉向角度(over-shoot)，但降低轉速也會同時讓轉動的角速度降低，運動效能降低。
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因此，這是一個設定或參數的權衡問題，而利用此模擬流程，可以輕易地獲得相關最佳的組合。
其他空拍機的各種動態運動分析，例如橫移、上升、下降、盤旋、翻轉等，均亦可利用Ansys CFD Premium來達到最佳的設計目的。