Caracterización Experimental del Flujo Inducido por Hélice (PIF) debajo de un UAV de Múltiples Rotores
Autores: Flem, Alexander A.; Ghirardelli, Mauro; Kral, Stephan T.; Cheynet, Etienne; Kristensen, Tor Olav; Reuder, Joachim
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Ciencias Naturales y Subdisciplinas
Subcategoría
Astronomía
Palabras clave
Drones multirrotor
Anemómetros sónicos
Flujo inducido por hélices
Simulaciones de CFD
Resultados experimentales
Corriente descendente
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 4
Citaciones: Sin citaciones
La disponibilidad de UAVs de múltiples rotores con capacidades de elevación de varios kilogramos permite un nuevo paradigma en las técnicas de medición atmosférica, es decir, la integración de anemómetros sónicos de grado de investigación para mediciones de turbulencia en el aire. Con su capacidad para flotar y moverse muy lentamente, este enfoque ofrece una flexibilidad no revelada en comparación con los anemómetros sónicos basados en mástiles para una amplia gama de investigaciones de la capa límite que requieren una caracterización precisa del flujo turbulento. Para una colocación óptima de los sensores, deben considerarse las posibles perturbaciones causadas por el flujo inducido por el propulsor (PIF). La caracterización del PIF se puede realizar mediante simulaciones de CFD, que, sin embargo, requieren validación. Con este propósito, realizamos un experimento para mapear el PIF debajo de un dron de múltiples rotores utilizando una matriz móvil de cinco anemómetros sónicos. Para lograr mediciones en un entorno controlado, el dron se montó dentro de un salón en un ángulo de 90 grados con respecto a su orientación de vuelo habitual, lo que llevó al desarrollo de un flujo descendente horizontal, que no está sujeto a un efecto de suelo pronunciado. El conjunto de datos resultante mapea el PIF paralelo al plano del rotor desde dos diámetros de rotor, por debajo, hasta 10 D, y perpendicular al plano del rotor desde la línea central del flujo descendente hasta una distancia de 3 D. Esta estrategia de medición resultó en una imagen tridimensional detallada del flujo descendente debajo del dron con alta resolución espacial. Los resultados experimentales muestran que el PIF disminuye rápidamente con el aumento de la distancia desde la línea central del flujo descendente en la dirección perpendicular al plano del rotor. A una distancia de 1 D de la línea central, el PIF se redujo a menos de 4 ms dentro de los primeros 5 D debajo del dron, y no se midió ninguna perturbación concluyente a 2 D de la línea central. Se observó un PIF mayor de 4 ms a lo largo del centro del flujo descendente a una distancia de 10 D para ambas configuraciones de aceleración probadas (35% y 45%). Dentro de los primeros 4 D bajo el plano del rotor, se midió una convergencia del flujo hacia el centro del flujo descendente antes de cambiar a divergente, lo que provoca que el flujo descendente se expanda. Esto coincide con la transición de los cuatro núcleos de flujo descendente individuales a uno solo. Las fluctuaciones de velocidad turbulenta dentro del flujo descendente se encontraron más grandes hacia los bordes, donde el corte entre el PIF y el aire circundante estancado es el mayor.
Descripción
La disponibilidad de UAVs de múltiples rotores con capacidades de elevación de varios kilogramos permite un nuevo paradigma en las técnicas de medición atmosférica, es decir, la integración de anemómetros sónicos de grado de investigación para mediciones de turbulencia en el aire. Con su capacidad para flotar y moverse muy lentamente, este enfoque ofrece una flexibilidad no revelada en comparación con los anemómetros sónicos basados en mástiles para una amplia gama de investigaciones de la capa límite que requieren una caracterización precisa del flujo turbulento. Para una colocación óptima de los sensores, deben considerarse las posibles perturbaciones causadas por el flujo inducido por el propulsor (PIF). La caracterización del PIF se puede realizar mediante simulaciones de CFD, que, sin embargo, requieren validación. Con este propósito, realizamos un experimento para mapear el PIF debajo de un dron de múltiples rotores utilizando una matriz móvil de cinco anemómetros sónicos. Para lograr mediciones en un entorno controlado, el dron se montó dentro de un salón en un ángulo de 90 grados con respecto a su orientación de vuelo habitual, lo que llevó al desarrollo de un flujo descendente horizontal, que no está sujeto a un efecto de suelo pronunciado. El conjunto de datos resultante mapea el PIF paralelo al plano del rotor desde dos diámetros de rotor, por debajo, hasta 10 D, y perpendicular al plano del rotor desde la línea central del flujo descendente hasta una distancia de 3 D. Esta estrategia de medición resultó en una imagen tridimensional detallada del flujo descendente debajo del dron con alta resolución espacial. Los resultados experimentales muestran que el PIF disminuye rápidamente con el aumento de la distancia desde la línea central del flujo descendente en la dirección perpendicular al plano del rotor. A una distancia de 1 D de la línea central, el PIF se redujo a menos de 4 ms dentro de los primeros 5 D debajo del dron, y no se midió ninguna perturbación concluyente a 2 D de la línea central. Se observó un PIF mayor de 4 ms a lo largo del centro del flujo descendente a una distancia de 10 D para ambas configuraciones de aceleración probadas (35% y 45%). Dentro de los primeros 4 D bajo el plano del rotor, se midió una convergencia del flujo hacia el centro del flujo descendente antes de cambiar a divergente, lo que provoca que el flujo descendente se expanda. Esto coincide con la transición de los cuatro núcleos de flujo descendente individuales a uno solo. Las fluctuaciones de velocidad turbulenta dentro del flujo descendente se encontraron más grandes hacia los bordes, donde el corte entre el PIF y el aire circundante estancado es el mayor.