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Graychen仿真专栏：利用XFLR5进行无人机气动数据分析

时间：2022-06-22 来源： 浏览：

Graychen仿真专栏：利用XFLR5进行无人机气动数据分析

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作者 |  Graychen

首发 | Graychen仿真专栏
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一、写在文前
XFLR5软件是一个为设计和分析亚音速飞机独立翼型编写的互动式的程序，主要基于XFOIL求解器，优化了软件界面使之更加易于操作，不需要采用类似AVL的命令窗口进行操作。XFLR5软件基于的升力线理论，3D面元法和涡格法。由于XFLR5软件求解所得的是简化后的解析解，所以计算速度较快，可以快速得出气动数据结果。多用于飞机的概念设计阶段。
XFLR5计算飞机的气动数据基本思想是先分析翼型在各种状态下的气动数据，在翼型数据的基础上再分析全机的气动数据。
本文以美国RQ-11大乌鸦无人机为例，从全局的角度讲解整个气动分析过程 。软件的基本操作可以参照《XFLR5基本操作教程.pdf》

二、翼型分析

翼型分析的思路：先设计翼型---再转入“Xfoil直接设计”--再转入“分析”界面 “定义一个分析”（定义分析后，会在菜单栏里面显示定义好的分析名称的下拉菜单）---然后在“分析设置”里面进行详细的分析设置，进行分析。
软件中的 “直接翼型设计”和“Xfoil直接设计”两个界面可以相互切换，分别完成翼型的设计和分析功能。
在菜单栏中利用下拉栏选取需要分析或者查看的分析名称，所有定义好的分析都会列在这个下拉栏中，选中某个分析后，在软件的Xdirect窗口设置具体的分析条件，点击“分析”开始进行计算。

为了分析三维机翼，我们需要足够的2D 数据（翼型的数据）来支撑3D 的分析。最好的方法是使用“曲线---批量分析”将会定义一系列范围的Re(雷诺数)和angles（攻角）然后进行分析。尤其是雷诺数的范围，需要包括所有后面飞机分析时的所有可能的雷诺数，比如对于根梢比大于1的机翼的翼尖雷诺数会小于翼根处的，翼型分析的时候就要包括进翼梢处的翼型雷诺数。

三、全机分析

翼型分析好后就可以进行机翼的定义了，文件—机翼和全机分析，这个时候软件的界面会转变为机翼和全机分析界面（下图），菜单栏从中增加了“机翼-全机”菜单，点击该菜单，选择“定义一个新的机翼”，参照《XFLR5基本操作教程.pdf》进行机翼的定义。

定义机翼的过程中，需要在翼型变化的地方进行分段，分别定义每段的翼型。定义过程中注意查看机翼的坐标。定义完成后再“新建一个飞机”，在飞机里面设置尾翼和垂尾的相关尺寸，注意选择偏移距离和安装角。 软件默认对飞机坐标系的原点求距，实际中是对飞机的重心求力矩，假设RQ-11飞机重心在三分之一弦长处。这样我们在进行飞机设置的时候就要把坐标系原点设置在三分之一弦长处。 由于X方向向后为正，所以机翼前缘为负值。

在飞机的定义完成后。直接点击“曲线-定义一个分析”命令，设置好来流速度，启动参数的参考面积点击确定就定义好一个分析了。在MIAREX窗口中设置好起始和截止迎角，点击分析开始计算。     

一般来说，定义好机翼，尾翼之后就可以直接进行计算分析了。在飞机的定义完成后。曲线—定义一个分析，设置好来流速度，启动参数的参考面积点击确定就定义好一个分析了。在MIAREX窗口中设置好起始和截止迎角，点击分析开始分析。分析完成后窗口就会输出结果。如下图。可以再右边的设置栏中选择需要显示的内容，在工具栏中可以查看计算的结果。在窗口右击可以选择导出计算结果进行数据处理。

如果仔细观察会发现，在显示压力系数的时候，整机模型的机翼和尾翼是一个平面。这主要是因为在进行整机分析的时候，只能选择3D面元法和VLM涡格法混合法进行求解分析，因此导致受力面为一个平面。软件如此设定的原因如下：

四、结果分析

XFLR5的计算结果得出后，利用下表进行导数计算。计算完成后分析计算结果是否合理，是否符合飞机的一般设计准则，比如是俯仰和滚转的静稳定系数是否为负值，航向静稳定系数是否为正值。如果存在部分数据缺失的情况，在线性区间内，可以根据已有数据进行插值。
下图为RQ-11无人机的计算结果，包含了升力系数曲线，阻力系数曲线，俯仰力矩系数曲线，升阻比曲线。

五、常见问题

1、飞行包线外，无法差值
出现无法收敛等情况时，多半是翼型分析阶段时的分析范围不够，需要增加雷诺数和迎角范围。尤其需要注意的是，在舵面有偏角的情况下，翼型的分析迎角范围要尽可能的放大。具体参照指导说明手册的4.3.18节内容。
2、关于机身的问题
软件不建议将机身加入模型进行计算，因为加入机身后，XFLR5需要对曲面进行修剪以组合机身，机翼和尾翼。对于这个软件来说，很难达到好的修剪效果。而且即使加入进去后，算法的鲁棒性也不是很好， 也有可能发散。
下图为加入了机身模型之后的计算结果，计算过程中调整了几次模型参数，方才计算成功，因为某些计算点无法计算。

六、仿真技术在无人机设计案例应用
文章中所涉及的 《XFLR5基本操作教程》 和大乌鸦无人机的XFLR5算例文件，大家在仿真秀官网或APP搜索 【Graychen】 仿真专栏对应的文章附件下载即可，或在本公众号回复关键词【 XFLR5】 即可。
作为一位不断学习与分享的飞行器设计工程师，且拥有飞行器设计专业硕士学历，毕业于南京航空航天大学，从事无人机总体气动设计与分析工作；目前在仿真秀平台原创精品课《无人机设计仿真-工程实际案例13讲》和《旋翼类飞行器Fluent气动仿真12讲》深受广大无人机仿真设计学习者和工程师的热爱。
2022年6月22日20时 ， 受邀在仿真秀面向用户需求仿真设计系列讲座第一期报告带来 《仿真技术在无人机设计中的案例应用》 。以下是讲座安排，欢迎分享。

（完）
作者： Graychen 仿真秀优秀讲师
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