Optimization of a MAV helicopter for realistic flight conditions
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2779944Utgivelsesdato
2021Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
I denne masteroppgaven blir luftmotstand på små luftfarkost (MAV) helikoptre undersøkt ved bruk av numeriske strømningsberegniger(CFD) med den åpne kildekoden OpenFOAM® og med eksperimenter i den store vindtunnelen til NTNU. Målet har vært å utvikle en enkel CFD-basert optimeringsmetode for å redusere luftmotstand på MAVs. CFD-simuleringer og optimering blir utført med en stasjonær løsningsmetode hvor RANS-ligningene løses med Spalart-Allmaras turbulensmodell. Etter CFD-optimeringen utføres det eksperimenter på fem forskjellige MAV-modeller som har blitt designet i optimering og deretter 3D-printet. Simuleringer og eksperimenter gjøres uten en rotor på helikopteret. Eksperimentelle resultater brukes til å validere CFD-modellen og gi en bedre forståelse av strømningen. Det vises at luftmotstanden er uavhenig av Reynoldstallet i Reynoldsregimet vi tester, fra Re= 16000 til Re = 41000, hvorbredden til MAV-helikopteret er brukt som lengdeskala. Optimeringsmetoden finner flere modeller som er bedre enn utgangspunktet og gir lovende resultater. Validering av CFD-resultateten er gjort kun gjennom luftmotstandskoeffisienter. CFD og eksperimentelldata stemmer godt overens for høye angrepsvinkler, alpha = 45 deg, men ved lavere angrepsvinkler, alpha = 0 deg, er det tidvis store forskjeller mellom eksperiment og CFD. En del av denne masteroppgaven har også vært å bidra til oppussingen av NTNU sin store vindtunnel, hvor også eksperimentene har blitt utført. Dokumentasjon på arbeid utført på vindtunnelen finnes i Appendiks B. In this master thesis drag on Micro Aerial Vehicle (MAV) helicopters has been investigated using the open-source CFD code OpenFOAM® and experiments in the large wind tunnel at NTNU. The purpose has been to develop a simple CFD-based optimization routine to reduce the drag on MAVs. CFD-simulations and optimization is performed using a steady solver with the RANS-equations and the Spalart-Allmaras turbulence model. The CFD-optimization is followed by an experimental campaign where five of the models developed in the optimization routine have been 3D-printed and tested experimentally. Both simulations and experiments are performed without a rotor on the MAV helicopter. The experimental results are used to validate the CFD-study and shed a greater light on the flow physics, as more angles of attacks are tested. It is shown in the experiments that the drag is Reynolds number independent in our tested range, from Re = 16000 to Re = 41000, where the width of MAV model is used as the length scale. The manual optimizationmethod succeeds to find a model with improved performance compared to the origin. Validation of the CFD-results is done by comparing drag coefficients from the experiment with CFD. The experiments and CFD shows good agreement in the drag coefficient for high angles of attack, alpha = 45 deg, however at alpha = 0 deg the deviation between CFD and experiment is as much as 50%. A part of this thesis has also been to contribute to the refurbishment of the test-section in the large closed loop wind tunnel at NTNU, this is shown in Appendix B.