侧风下背风螺旋桨的非单调效率：四旋翼系统中的尾流吸入动力学

《Aerospace》：Non-Monotonic Efficiency of Leeward Propellers in Crosswind: Wake Ingestion Dynamics in Quadcopter Systems

　　

小型多旋翼无人机（UAVs）经常在侧风条件下运行，但迎风与背风螺旋桨对之间的空气动力学相互作用仍未完全理解。本研究使用稳态RANS模拟（RANS simulations）结合Transition SST湍流模型（Transition SST turbulence model）研究了四旋翼螺旋桨系统在横向侧风下的性能，并通过风洞测量进行了验证（推力和扭矩偏差在5.4%以内）。系统性地研究了五个转速（8000–12,000 RPM）和六个自由流速度（0–10 m/s）的参数矩阵。虽然所有螺旋桨的推力系数（C_T）和功率系数（C_P）随自由流速度单调增加，但背风螺旋桨的图优值（FM）表现出先前未报告的非单调响应：它从悬停状态下降，在6 m/s附近达到最小值，然后在更高速度下部分恢复。迎风螺旋桨没有表现出这种退化。研究人员的速度云图和流线分析表明，这种行为源于迎风尾流吸入到背风流入区域，该现象在中等自由流速度下达到峰值，并随着更强的侧风将尾流向下游输送而逐渐缓解。因此，非单调响应是尾流引起的流入退化与自由流驱动的空气动力学增强之间竞争的直接结果。研究人员的发现提供了系统的空气动力学数据集，对于多旋翼无人机在侧风条件下的姿态控制与推进系统设计至关重要。

小型多旋翼无人机在侧风环境中运行时，迎风与背风螺旋桨之间的气动相互作用机制尚不明确，现有研究缺乏对速度依赖性尾流吸入演化的系统性分析，且未报道背风螺旋桨图优值（FM）的非单调行为。为此，研究人员对四旋翼螺旋桨系统在横向侧风下的性能开展了参数化研究，旨在揭示尾流吸入动力学及其对效率的影响。论文发表在《Aerospace》。

研究人员采用稳态RANS模拟（RANS simulations）结合Transition SST湍流模型，并使用多参考系（MRF）方法模拟螺旋桨旋转。计算域分为外静止区和内旋转区，使用ANSYS Fluent 2024 R2求解，网格独立性验证后选用约130万单元的中等网格。实验验证基于单桨风洞测量，使用商用Gemfan 7037三叶螺旋桨（样本来源：中国宁波Gemfan Hobby Co., Ltd.），通过激光扫描重建几何，在与CFD相同的五个转速下比较推力与扭矩，偏差在5.4%以内。

研究结果如下：

3.1 Aerodynamic Coefficients Under Crosswind Conditions: 通过CFD模拟获得30个工况下的推力系数（C_T）、功率系数（C_P）和图优值（FM）。所有螺旋桨的C_T和C_P随自由流速度（V_∞）单调增加，但背风螺旋桨的FM呈非单调响应：从悬停值下降，在6 m/s附近达到最低，随后在更高速度下部分恢复。该现象在8000 RPM时最显著，FM下降约0.03，且随转速升高而减弱并移至更高速度。

3.2 Flow Field Structure and Wake Ingestion: 通过三维速度流线可视化，发现在V_∞=6 m/s时，迎风螺旋桨尾流以浅角度偏转并部分进入背风流入区域；在V_∞=10 m/s时，尾流被更强侧风向下游输送，空间重叠减少，与FM恢复一致。这表明尾流吸入是背风FM下降的机制。

3.3 Inflow Plane Velocity Distribution: 通过轴向速度（V_y）云图分析流入和洗流平面。在V_∞=6 m/s时，背风转子流入平面出现低速或逆向区域，洗流平面不对称且核心速度减弱；随V_∞增至10 m/s，流入污染区收缩，洗流恢复。证实了尾流吸入在中等速度达到峰值，随后因侧风对流而缓解。

3.4 Individual Propeller Thrust and Torque Response: 通过各螺旋桨推力和扭矩增量分析，发现迎风螺旋桨推力增量始终大于背风螺旋桨约17%，且背风螺旋桨扭矩增量也较小。这种协同抑制直接源于尾流吸入导致的局部攻角变化，而非数值误差。

总结讨论部分：研究人员通过验证的稳态RANS模拟揭示了背风螺旋桨在侧风下的非单调FM响应，其机制是迎风尾流吸入与自由流增力的竞争。该发现为多旋翼无人机在侧风环境下的姿态控制补偿和推进系统设计提供了定量依据，其中V_∞=6 m/s附近为临界工况，需主动控制干预。研究结论翻译如下：在本工作中，研究人员通过稳态RANS模拟（经风洞验证，最大推力偏差3.8%，扭矩偏差5.4%）研究了四旋翼螺旋桨系统在侧风下的性能，主要结论包括：所有螺旋桨的C_T和C_P随V_∞单调增加，但迎风螺旋桨推力增量始终大于背风螺旋桨，表明侧风下存在固有推力不对称；迎风螺旋桨FM随V_∞单调增加，而背风螺旋桨FM呈非单调响应，在8000 RPM时下降约0.03；速度云图和流线分析表明，迎风尾流吸入是主因，在V_∞=6 m/s时污染背风流入，随V_∞增加尾流被下游对流而恢复，该过程受转速调制；所记录的推力和扭矩不对称性为侧风姿态控制补偿提供了定量基础，V_∞=6 m/s附近为临界工况。