流體仿真在開放式無人機3D打印領域的應用
微軟的現任CEO薩提亞在他的《刷新》一書中提到，人工智能對人類的意義在于，我們不應將人工智能視為“人工的”東西，而是應該把它看成是用來增強人類能力的智能。
其實這個邏輯用在很多場景中有著異曲同工的呼應感，不僅僅是人工智能是用來增強人類能力的，在設計中，仿真軟件也在發揮著增強人類駕馭復雜情景的能力，幫助人類實現一些令人“腦洞大開”的創新。
要論3D打印技術中的“腦洞大開”，開放式3D打印（OAM）讓人過目不忘，其核心思想是打印系統的體積不受構建物體體積大小的限制，執行構建的“打印頭”不受空間位置限制，同時保持極高的打印精度，實現大尺寸構建的3D打印直接成型。德迪創造性地將無人機作為打印噴頭的載體，配備持續性的供料系統，適用于大型建筑、太空設備、海底建筑等場景。
開放式3D打印可以將民用無人機與3D打印技術進行完美融合，采用全新設計的3D打印專用無人機作為噴頭載體，完美解決常規3D打印設備尺寸的限制。開放式 3D打印理論上不受打印地點、高度、成型尺寸等限制，具有高度的尺寸自由和設計自由性能。
開放式3D打印技術帶來了打印尺寸和空間維度上的自由度，也具有相當高的設計難度和實現難度，其中不但涉及3D打印技術的難點，也涉及了一般飛行器涉及的全部技術難點，例如氣動性性能、結構力學性能、穩定性性能等等。其中，氣動性能在設計過程中主要依靠仿真流體力學來實現，本期谷.專欄通過安世亞太的《流體仿真在開放式無人機3D打印領域的應用》針對某一型號的3D打印無人機機型的流體仿真部分進行簡要的說明。
雖然我們還并不清楚無人機3D打印的商業前景與潛力，但是通過開放式3D打印中流體仿真的學問，我們可以感受到仿真是如何來增強設計能力的。
圖片：德迪智能無人機3D打印
在一般的開放式打印中，流體仿真能夠解決的問題很多，主要與打印工作時使用的原料及工作環境相關。本文中我們關注的無人機3D打印主要以混凝土等半流質的材料為原料，在3D打印工作中， 充滿了各種挑戰，譬如說材料從打印頭擠出后質地比較軟，不能馬上凝固，且外形容易受到外界強氣流的影響而發生變形。而由于在螺旋槳正下方區域，高流速區域的覆蓋范圍很高，需要考慮較高的風速對已經打印好的模型部分產生較大作用力的問題。
這些復雜的挑戰依靠人的試錯經驗來解決是昂貴且很難以實現的，這時候流體仿真就發揮了重要的作用。
仿真內容
本文作者通過某一型號的涵道無人機模型，仿真分析其在開放空間中飛行時的流場，分析打印噴頭附近的風速分布情況。針對當前選用的螺旋槳在不同轉速下的升力范圍，研究有無起落架對螺旋槳升力及打印噴頭附近風速分布的影響。
針對本3D打印無人機機型，流體仿真主要關心以下幾個問題：
- 原旋翼加上現有涵道設計后不同轉速時側向力的變化；
- 研究規定螺旋槳尺寸，不同轉速時無人機的升力范圍；
- 現有的兩個旋翼在一個涵道中的設計，在同一涵道中的兩個旋翼在工作時是否會相互干涉。
現有的無人機模型如圖1所示，包含六個旋翼、保護罩、機臂，以及起落架、支架、平臺、打印噴頭等裝置。
圖1：無人機模型圖，來源安世亞太
圖2：計算域示意圖，來源安世亞太
仿真分析無人機在開放空間飛行時的流場，需要選取足夠大的空間作為流體計算域（如圖2所示），以消除計算域邊界的存在對無人機流場的影響。考慮到無人機在飛行時，旋翼驅動產生的流動方向主要是上下方向的，因此選用圓柱形的計算域空間，其半徑為10m，高度方向為45m。
圖3：體網格XZ截面圖，來源安世亞太
圖4：螺旋槳葉片的網格細化圖，來源安世亞太
本次計算使用四面體加棱柱層劃分網格，在螺旋槳葉片等細小結構附近采用0.1到1mm的小尺寸捕捉曲率變化和接近率, 在螺旋槳葉片附近使用5層棱柱層網格以保證高速旋轉時的流場計算精度。
仿真結果
螺旋槳葉片使用MRF方法模擬其旋轉，計算轉速為4000RPM時的工況。
圖5：4000RPM XZ截面速度云圖，來源安世亞太
圖6：4000RPM YZ截面速度云圖，來源安世亞太
圖5和圖6分別為，該轉速下XZ和YZ截面的速度云圖，從圖中可以看出，相同飛行狀態下的無人機不同截面的氣流場分布有較大的不同，這是由于無人機框架為軸對稱而非中心對稱所引起的現象。
在無人機的框架作用下，旋翼上方的氣流較為集中，為旋翼上方的氣流被卷吸進入槳盤區域，并不像其他無人機機型沒有框架束縛，氣流來自周圍和上方。且在槳盤下方區域，此形式無人機的氣流沒有其他非涵道式無人機形式的發散現象。
圖7：無人機涵道與旋翼干涉性分析截圖位置，來源安世亞太
圖8：工況1 Y=-0.4m處XZ截面速度云圖，來源安世亞太
圖9：工況1 Y=0.4m處XZ截面速度云圖，來源安世亞太
圖8中Y=-0.4m處為兩個旋翼在同一涵道中的狀態，圖9中Y=0.4m處為兩個旋翼分別在一涵道中的狀態。從以上兩圖對比可知，槳盤之間的干涉主要位于槳盤之下的區域。右圖中兩槳盤之間下部有一明顯的低速區，而左圖中兩槳盤之間下部沒有低速區的存在。這是由于槳盤之間若沒有涵道壁面的阻礙，也會有氣流被卷吸進涵道中，兩邊槳葉下的氣流隨著流動融合在一起，說明兩個旋翼在一個涵道中氣流會有相互擾動的現象。
由于此無人機框架為軸對稱而非中心對稱，所以會產生力的不均衡分布，這種效應在飛行時會產生側向力，可能會導致偏航，影響飛行時的穩定性。根據仿真的統計結果，對于此型無人機來說，不同轉速下X和Y向的側向力各有不同，這說明當轉速發生變化時側向力也在變化。雖然數值較小，但對于飛行狀態的無人機來說，這會導致機體的不穩定，對控制和操縱都造成困難。
綜上所述，流體仿真的應用可以避免在開放式打印的設計中出現不必要的資源浪費問題，起到到簡化設計思路、縮短設計周期、提高設計效率的作用。
李菁
安世亞太流體咨詢專家，航天工程專業，碩士學位，4年數值仿真經驗，涉及高超聲速、多相流、顆粒物、燃燒、傳熱分析等多個領域，目前主要參與多個增材設備流體仿真分析項目，積累了大量3D打印設備流體優化經驗。
(責任編輯：admin)
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