Estructura de flujo alrededor de un dron multicóptero: un análisis de dinámica de fluidos computacional para consideraciones de colocación de sensores
Autores: Ghirardelli, Mauro; Kral, Stephan T.; Müller, Nicolas Carlo; Hann, Richard; Cheynet, Etienne; Reuder, Joachim
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Estructura de flujo alrededor de un dron multicóptero: un análisis de dinámica de fluidos computacional para consideraciones de colocación de sensores
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
Dinámica de fluidos computacional
Posicionamiento de sensores
UAV
Simulaciones de CFD
Flujo inducido por hélices
Sensor de turbulencia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Este estudio presenta un enfoque basado en dinámica de fluidos computacional (CFD) para determinar la posición óptima de un sensor de turbulencia atmosférica en un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de configuración X8. Se investigan las distancias vertical (zBF) y horizontal (xBF) del sensor al centro del UAV para reducir el efecto del flujo inducido por la hélice mediante simulaciones CFD basadas en el modelo de turbulencia k- y la teoría del disco de actuador. Para asegurar un diseño geométrico realista de las simulaciones, se midieron los ángulos de inclinación de un UAV de prueba en vuelo volando el dron a lo largo de un patrón fijo a diferentes velocidades constantes en el suelo. Basado en esos resultados de medición, se generó un dominio geométrico correspondiente para las simulaciones CFD. Se hizo un énfasis específico en la construcción de la malla seguida de un estudio de sensibilidad sobre la resolución de la malla para encontrar un compromiso entre la precisión de simulación aceptable y los recursos computacionales disponibles. Las simulaciones CFD finales (un total de doce) se realizaron para cuatro condiciones de entrada (2.5 m s-1, 5 m s-1, 7.5 m s-1 y 10 m s-1) y tres configuraciones de carga útil (15 kg, 20 kg y 25 kg) del UAV. Los resultados dependen de las entradas y muestran que la forma más eficiente de reducir la influencia del flujo inducido por la hélice es montar el sensor a favor del viento, apuntando en la dirección del flujo entrante con xBF variando entre 0.46 y 1.66 D, y por debajo del plano medio de los rotores en zBF entre 0.01 y 0.7 D. Finalmente, los resultados se aplican al posible escenario real de un Foxtech D130 que lleva un anemómetro ultrasónico CSAT3B, que tiene como objetivo muestrear el viento con flujos medios superiores a 5 m s-1. Los autores proponen xBF=1.7m y zBF=20cm por debajo del plano medio del rotor como un compromiso viable entre la reducción del flujo inducido por la hélice y la seguridad. Estos resultados se utilizarán para mejorar el diseño de un nuevo sistema de medición de turbulencia atmosférica basado en drones, que tiene como objetivo combinar mediciones precisas de viento y turbulencia mediante un anemómetro ultrasónico de grado de investigación con la alta movilidad y flexibilidad de los UAV como portadores de sensores.
Descripción
Este estudio presenta un enfoque basado en dinámica de fluidos computacional (CFD) para determinar la posición óptima de un sensor de turbulencia atmosférica en un vehículo aéreo no tripulado (UAV) de configuración X8. Se investigan las distancias vertical (zBF) y horizontal (xBF) del sensor al centro del UAV para reducir el efecto del flujo inducido por la hélice mediante simulaciones CFD basadas en el modelo de turbulencia k- y la teoría del disco de actuador. Para asegurar un diseño geométrico realista de las simulaciones, se midieron los ángulos de inclinación de un UAV de prueba en vuelo volando el dron a lo largo de un patrón fijo a diferentes velocidades constantes en el suelo. Basado en esos resultados de medición, se generó un dominio geométrico correspondiente para las simulaciones CFD. Se hizo un énfasis específico en la construcción de la malla seguida de un estudio de sensibilidad sobre la resolución de la malla para encontrar un compromiso entre la precisión de simulación aceptable y los recursos computacionales disponibles. Las simulaciones CFD finales (un total de doce) se realizaron para cuatro condiciones de entrada (2.5 m s-1, 5 m s-1, 7.5 m s-1 y 10 m s-1) y tres configuraciones de carga útil (15 kg, 20 kg y 25 kg) del UAV. Los resultados dependen de las entradas y muestran que la forma más eficiente de reducir la influencia del flujo inducido por la hélice es montar el sensor a favor del viento, apuntando en la dirección del flujo entrante con xBF variando entre 0.46 y 1.66 D, y por debajo del plano medio de los rotores en zBF entre 0.01 y 0.7 D. Finalmente, los resultados se aplican al posible escenario real de un Foxtech D130 que lleva un anemómetro ultrasónico CSAT3B, que tiene como objetivo muestrear el viento con flujos medios superiores a 5 m s-1. Los autores proponen xBF=1.7m y zBF=20cm por debajo del plano medio del rotor como un compromiso viable entre la reducción del flujo inducido por la hélice y la seguridad. Estos resultados se utilizarán para mejorar el diseño de un nuevo sistema de medición de turbulencia atmosférica basado en drones, que tiene como objetivo combinar mediciones precisas de viento y turbulencia mediante un anemómetro ultrasónico de grado de investigación con la alta movilidad y flexibilidad de los UAV como portadores de sensores.