仿真驱动的螺旋桨最优化方案
1、一件反经验的螺旋桨实测结果
最近，发生了一件有趣的事，笔者接到客户关于多旋翼螺旋桨的测试反馈，在实测商业系列桨时观察到一个有趣的现象，当无人机处于有风条件或低速巡航状态时其巡航能力反而强于悬停状态。这种反经验的现象看似奇怪，实际上却恰恰反映了商业螺旋桨的固有特性，由于商业桨要面向大多数客户，所以其性能必然处于中间状态以适应大多数场景，因此也就意味着常规应用时，企业很难获得螺旋桨的极限最优状态。针对特定的应用场景，螺旋桨的定制优化是无人机平台性能提升的必经之路。
螺旋桨，作为小型飞机、无人机、多旋翼机的重要动力部件，同飞机平台性能密切相关。经过上百年的发展，各类型航空类螺旋桨层出不穷，其性能也参差不齐。对于大多数无人机企业来说，开发新型号飞机时，只要和选定的发动机、电机相匹配，依靠经验确定大概的桨径，桨距，然后选择成熟厂家的系列产品桨即完成了螺旋桨的选型。然而螺旋桨和动力系统是无人机系统中极为重要的一环，其对整体效率的影响，甚至不弱于飞机机体的气动影响。（有关动力系统优化相关文章将于近期推出）
2、螺旋桨优化商业方案
在传统载人航空飞行器设计中，螺旋桨和动力系统的设计至关重要，通常针对特定型号飞机的飞行包线、发动机需要定制设计相应的螺旋桨，这样才可保证最优效率和性能。然而对于大多数无人机公司来说，无论是成本还是技术能力上考虑，实现针对特定型号飞机的螺旋桨定制化设计、制造非常困难。栖云科技凭借对气动仿真技术的理解，近期推出了一套面向无人机企业的螺旋桨定制设计、制造服务。
众所周知，计算流体力学模拟仿真技术在飞机、无人机设计上早已有了深入应用，在螺旋桨设计优化上也屡见不鲜，可以很容易查到相关文章、论文，然而很少有成熟的商业应用方案。栖云基于已有研究基础，结合CFD仿真工具和三维建模软件开发出一套数字化、全自动的螺旋桨设计、优化方法，极大减少了设计周期，降低了开发成本。
3、优化方案过程、方法
首先，采用三维软件对螺旋桨进行参数化建模，将关键参数如桨距角、弦长等进行参数化；其次，将三维软件和CFD仿真软件进行交互，以参数化形式交换螺旋桨数据。数字化后的螺旋桨三维模型自动进行数值仿真，反馈结果后重新调整三维模型自动重建，输入仿真软件进行二次计算，如此迭代反复。最后，依靠遗传算法、神经网络等优化算法获得最优的螺旋桨几何参数。整个过程自动完成，来流、桨距角等关键参数自动寻优。
螺旋桨的三维模型参数化（动图）
以下图片记录了基于CFD（计算流体力学）数值仿真技术优化螺旋桨的过程：
4、优化后结果
根据以上过程和优化方法，对某款32寸商业多旋翼用螺旋桨进行了仿真优化，最终在特定拉力下，得到了桨效率提升8.5%的效果，如下表所示。
用于优化的商业螺旋桨模型
仿真结果-翼尖涡
此外，多旋翼桨叶应用环境特殊，由于无来流，叶素工作面所处的雷诺数较低，对CFD计算的要求较高。另外，桨叶翼型仍然有优化空间，针对不同半径位置可对翼型进一步优化以提高效率。
本文仅对依靠数值仿真技术的螺旋桨优化过程进行了介绍，未来一段时间内将持续更新与CFD数值仿真技术、螺旋桨优化和气动布局优化的系列文章，包括翼尖小梢作用、共轴反桨螺旋桨的优化、固定翼螺旋桨的优化、常见静态螺旋桨测试平台的问题等文章，敬请浏览，点赞，分享。
