基于CFD的农业植保无人机流场数值模拟与冷却特性分析

马琛昭，袁越锦，徐英英，谭礼斌，袁月定

(1.陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安 710021；2.湖南财政经济学院 数学与统计学院，湖南 长沙 410221)

0 引言

“大载重多用途”无人直升机通常是有效载荷任务30 kg以上，可用于巡航、农药喷洒、森林防火等多用途的飞行载机平台[1].农业植保无人机，顾名思义是用于农林植物保护作业的无人驾驶飞机，该型无人飞机由飞行平台(固定翼、直升机、多轴飞行器)、导航飞控、喷洒机构三部分组成，通过地面遥控或导航飞控，来实现喷洒作业，可以喷洒药剂、种子、粉剂等.与常规无人机相比，该类无人机功能明确，针对特定用途搭载相应功能装置，且具有飞行高度低，飘移少，可空中悬停，无需专用起降机场的特点.

油冷器作为无人机冷却系统中重要零部件之一，其冷却方式的选择(风冷、水冷)对最终整机运行时的散热性能有直接的影响.随着计算流体力学CFD仿真技术的迅猛发展，基于CFD方法分析整车、整机及零部件内外流场分布特性已成为机械行业的发展趋势[2-4].冷却方式的选择及零部件性能是系统匹配最重要的环节，往往传统设计都是基于试验来进行反复调整及匹配，最终寻求满足性能指标的方案[5,6].这种模式周期长、成本高昂，项目开发周期难以保证.基于CFD流场分析方法则可快速获取整车整机在给定工况下的风量、速度、温度等流场细节特性，为前期系统匹配设计及产品开发提供仿真数据支撑及理论指导，缩短产品开发周期[7].

例如，赵航等[8]利用CFD技术计算了不同状态下锥套的气动阻力，为工程中分析锥套阻力特性提供了重要依据.刘春等[9]采用改进的SA湍流方程对某飞机翼型升力系数进行了评估及优化，为其它翼型的气动性能计算提供了仿真基础.Gu等[10]利用ANSYS Fluent软件研究了多层小间距平面翅片结构的油冷器内部流场和传热特性，为其内部结构的优化提供了理论指导.Ma等[11]研究表明在冷却水系统中增设空冷器是降低热负荷、降低冷却水系统成本的有效途径.

基于CFD技术在流场预测和传热传质分析等方面的时效性、准确性，本文采用CFD仿真方法，以某农业植保无人机为研究对象，采用CFD仿真分析软件STAR-CCM+ 对其风冷油冷器状态及水冷油冷器状态下的流场进行数值模拟及对比分析，获取各冷却风道风量分布、速度分布、空气温度分布及换热量等相关流场特性信息，并依据对比分析结果针对性地进行产品优化，提升换热量，改善风量分配，提升整机散热性能.研究结果可为无人机油冷器散热方式的选取及散热性能提升的设计及优化提供理论指导和仿真数据支撑.

1 物理模型

某农业植保无人机模型采用CATIA 2014软件按照1∶1比例等比例绘制，无人机机身长度约为5 m，宽约1.5 mm，高约2 m，旋翼直径约为5 m.本文选取STAR-CCM+中多面体网格技术和边界层网格技术对整机流场计算域进行网格划分，虚拟外框流体域与无人机机体间采用三个长方体进行局部区域体加密控制，使网格平滑过渡，划分完成后的网格数量约为3 000万.图1为整机流场计算域网格和Y=0截面的网格示意图.为无人机油冷器散热方式提供理论指导，对该无人机油冷器的两种散热布局方式(水冷油冷器、风冷油冷器)进行流场对比分析，分析其风量分布、速度场及温度场的差异性.

(a)整机流场计算域网格

油冷器属于热交换器的一种，主要是利用热传导原理将温度高的流体介质传递给温度低的流体介质，从而得到冷却，降低温度到要求范围.油冷器的散热方式分为水冷和风冷两种.水冷油冷器也称为油水交换器，其原理是通过冷却液与油冷器中高温油介质进行热交换，从而实现冷却的目的.风冷油冷器则是通过外接的油冷器风扇吹风与高温机油介质进行热交换，从而实现冷却的目的.换热部件(散热器、油冷器)中内部几何形状、尺寸及结构布置复杂且参数不一定详尽，对建立内部流域相对困难，因此一般都采用多孔介质模型来处理[12-14].因此，本研究使用多孔介质模型来等效模拟油冷器.无人机油冷器的两种冷却状态的三维模型如图2所示.两个状态的区别仅为图中红色部件及相关连接管路的区别.

(a)水冷油冷器状态

2 数学模型

本文选取CFD分析软件STAR-CCM+中Realizable k-ε湍流模型进行无人机流场特性的数值模拟研究[15,16]，分离式隐式方案，SIMPLE算法的稳态(Steady state)计算求解.STAR-CCM+流场及温度场模拟分析遵循流体质量、动量及能量三大守恒定律，通过求解相应的流体控制方程即可获得相应的流场模拟信息.流体流动通用控制方程表示为[17]：

(1)

3 模型求解

本文旋转部件的旋转通过采用MRF(Moving Reference Frame：旋转坐标参考系)方法实现，散热器风扇转速为2 061 r/min，风冷油冷器风扇转速为3 039 r/min，旋翼转速为859 r/min，尾翼转速为4 400 r/min.依据整机运行工况及发动机台架热负荷测试结果，最大悬停重量时对应的发动机油门开度为80%，发动机转速6 500 r/min，对应的水冷油冷器冷却液流量、风冷油冷器冷却液流量分别为47.5 L/min、53.5 L/min，温度设置为95 ℃，冷却液介质为50%乙二醇和50%水的混合液，为不可压缩流体[22].冷却介质属性为动力粘度0.000 82 Pa·s，密度1 030 kg/m3，导热率0.414 W/m·K，比热容3 536 J/kg·K，湍流普朗特数0.9[23].机油流量及温度为10.6 L/min，130 ℃；排气流量及温度为46.43 g/s，826 ℃.

换热器处理多孔介质双流体模型，模拟分析中同时考虑风侧和水侧(用于水冷油冷器中的散热器模型构建)或风侧和油侧(用于风冷油冷器中的油冷器模型构建)[24].虚拟计算域入口边界设置为速度入口(Velocity Inlet)，速度为0 m/s；出口边界设置为压力出口(Pressure Outlet)，压力为0 Pa；环境温度为30 ℃，环境压力为标准大气压(101 325 Pa)，空气考虑为理想气体.完成边界条件的设置及赋值后，采用STAR-CCM+中截面创建功能及物理量监测功能实现机身进风口风量的监测，运行计算完成即可获得各监测量的数值.

4 数值模拟结果分析

4.1 速度分布

图3为风量监测截面示意图.图4表示无人机在两种油冷器状态下各风道风量对比，从图中可以看出，风冷油冷器状态下机身前端进风口(外壳前、左、右)的总进风量较大.风冷油冷器状态下的整机的换热量约为11 kw，水冷油冷器状态下的整机换热量约为9 kw，水冷油冷器在整机实际工况下的换热量比风冷油冷器要小.发动机热平衡实验测试获得的换热量结果也显示水冷状态换热量低于风冷油冷器换热结果，验证了模拟与实验的一致性，结果表明采用水冷油冷器状态进行整机散热存在一定的风险.

(a)机舱进风口风量监测截面

图4 冷却风量对比分析图

图5为整机Y=0处截面速度分布，水冷油冷器状态散热器的热风回流比风冷油冷器状态大，对整机散热不利.因此，采用水冷油冷器状态结构的整机，后续需要进行结构优化来提升整机换热量，保证整机散热性能.

(a)风冷油冷器整机Y=0处截面速度分布

4.2 温度分布

图6～8为整机Y=0截面的空气温度、消声器表面温度及辐射能量分布.水冷油冷器状态周围空气温度场略比风冷油冷器状态空气温度场差.水冷油冷器状态的消声器排气管温度略低，辐射到周围的能量比风冷油冷器状态略少.产生这种现象的原因是水冷油冷器状态下的冷却效果相对较好，能对排气管温度进行很好的冷却.

(a)风冷油冷器状态Y=0截面空气温度场

(a)风冷油冷器状态消声器表面温度

(a)风冷油冷器状态辐射能量分布

4.3 优化分析

综合速度场和温度场的对比分析可以获知:

(1)风冷油冷器状态的换热能力比水冷油冷器状态好，主要原因是风冷油冷器状态冷却风量比水冷油冷器状态大且热风回流少.

(2)水冷油冷器状态的消声器冷却比风冷油冷器状态略好，主要原因是水冷油冷器的存在使风扇出来的风更多的导向排气管，对消声器冷却较好.

水冷油冷器状态搭载整机需要进行换热量性能提升才能保证整机的散热，因此将采用加导风罩以减小热风回流、提升风扇转速以增大冷却风量两方面来进行性能优化，使水冷油冷器状态整机换热量达到风冷油冷器状态水平.

图9为通过提升散热器风扇转速来提升换热量的结果.从图中可以看出，水冷油冷器状态转速提至2 500～2 900 rpm后，整机换热量可达到风冷油冷器状态水平.

图9 转速提升方案换热量对比图

图10为导风罩优化方案示意图，其作用是通过在散热器前端增加导风罩，使冷却散热器的空气全部来自整机外部格栅，降低散热器冷却进风温度以提升换热量.图11为导风罩及转速提升方案下整机的换热量对比图.在水冷油冷器状态上增加导风罩后的换热量已基本达到风冷油冷器水平，若在加导流罩的基础上进一步提升散热器风扇的转速，换热量会进一步增加，冷却风道的风量也增大.

图10 导风罩优化方案示意

图11 导风罩及转速提升方案下换热量对比图

图12为“水冷油冷器+导风罩+2 300 rpm”的Y=0截面流场特性(速度场和温度场)结果图.可以看出增加导风罩后，热风回流已得到很大改善，进入散热器的空气温度变低，对改善整机冷却效果显著.

(a)Y=0处截面速度分布

5 结论

采用CFD方法对无人机整机外流场进行了数值模拟分析，研究了两种油冷器状态(风冷油冷器、水冷油冷器)下整机内速度场、温度场及整机换热量的情况，得出如下结论：

(1)风冷油冷器状态的换热能力比水冷油冷器状态好，水冷油冷器状态散热器的热风回流比风冷油冷器状态大，对整机散热不利；水冷油冷器状态的消声器冷却比风冷油冷器状态略好.

(2)通过3D-CFD优化，将风扇转速提升至2 500 rpm以上，水冷油冷器整机状态的换热能力可达到风冷油冷器整机状态；在水冷油冷器整机状态上增加散热器前端导风罩并适当提升转速(100 rpm左右)，水冷油冷器整机状态的换热能力也可达到风冷油冷器整机状态，进一步提升散热器风扇的转速，换热量会进一步增加，冷却风道的风量也增大.