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【技术】想知道乐高直升机螺旋桨的升力究竟有多少吗?

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本人日常潜水,加上lack of money,看各位大佬晒MOC实在是心痒痒,自己也想搞个大新闻。。。的MOC方法吧。
废话不多说,先交代一下背景。车辆空气动力学专业的研究僧一名,研究方向是旋转机械气动仿真。我记得之前有个视频是让9396飞起来,结果只是个9396的壳子,内部是航模,,这不是妥妥的作弊吗;还见过一个视频是用纯动力马达组+扇叶测试螺旋桨升力的,结果还真短暂飞起来了(升力大概100g的样子)。于是,提出以下两个问题:
1. 纯乐高螺旋桨究竟能不能产生足够长期飞行的升力(就设定为100g(1N)以上吧)?
2. 如果可以的话,什么样的安装角和转速可以达到这种条件?
我们就以9396的螺旋桨为例:编号99013pat0001


IP属地:陕西1楼2020-10-02 23:52回复
    说明:这两个问题我也不知道结论,这个帖子就纯探究吧。如果怎么试都是没啥升力,那只能说明99013pat0001是个样子货,此贴终结。。但方法是一样的,感兴趣的可自行尝试其他螺旋桨。
    还有就是毕竟临近毕业,lack of money的同时还lack of time,,本帖就不定时更新吧。。。


    IP属地:陕西2楼2020-10-02 23:55
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      现在简要介绍下技术背景:本帖将采用计算流体力学(CFD)的方法,通过计算机仿真的思路计算99013pat0001的升力。计算流体力学软件将流体力学控制方程进行集成,并进行求解。在仿真时,需要遵循几何前处理-流体网格划分-流场求解-流场计算后处理四个步骤。计算流体力学软件的求解精度应该可以说是足够高了,受限主要是计算资源(就是计算机的性能),为什么呢?举个例子,本案例中的流体网格数为200万,也就是说需要将空间划分成200万个大小不同的网格,在网格的每个角(称之为节点)需要同时求解一个由三个偏微分方程组组成的方程,而求解偏微分方程的数值求法是不断迭代的,也就是说不是一下子就能解出来。。。由此可以看到计算量非常之大。
      流体求解的精度和仿真方法关系很大,不同的仿真方法求解速度也不一样。精度最低的方法,只能得到一个平均的流动情况(可以理解为一堆照片叠加在一起看),精度最高的方法,可以得到肉眼都看不到的实时的,极其细小的流动情况。。本案例自然只能选择精度最低的方法了。。。时间嘛,在i5 CPU的家用计算机上的求解时间为14小时左右,在E5 CPU的工作站上求解时间为6小时左右。
      仿真软件的话,了解一下即可:几何前处理(Autodesk Alias)-流体网格划分(Beta ANSA)-流场求解/后处理(Simense Simcenter STAR-CCM+)


      IP属地:陕西3楼2020-10-03 00:09
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        首先导入数模。


        IP属地:陕西4楼2020-10-03 00:21
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          可以看到,第一个孔正好对应坐标系中点。为了贴近实际情况,将螺旋桨平移3个lego单位。


          IP属地:陕西5楼2020-10-03 00:23
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            这三个孔对流动的影响不是很大,因此可以简化。


            IP属地:陕西6楼2020-10-03 00:26
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              所以…本帖是恢复了吗?


              IP属地:陕西来自Android客户端10楼2020-10-03 12:16
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                不同安装角。当然最方便的应该还是0度和45度,其余的每隔5度一组。只负责计算,结构的话就请各位大佬自行MOC吧(话说9396那个貌似是支持变攻角的。。。)


                IP属地:陕西11楼2020-10-03 12:21
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                  第一幅图的大圆柱就是我们的求解空间,第二幅图这个扁圆柱是旋转空间。为啥要单独划分一个旋转空间呢?是因为仿真的时候会认为这个空间内的流体的坐标系是独立于整体坐标系的,这个独立坐标系会施加一个旋转运动,从而模拟螺旋桨的旋转,术语称之为“多参考系(Multi-Reference Framwork,MRF)”。不过只能仿真出来平均的流动,如果各位想看电影上那种真实转动的话,需要用到滑移网格(Slide Mesh)技术,做法也是一样的,只不过网格是真的在转动,但这种计算量太大了,本次就不使用了。。。


                  IP属地:陕西12楼2020-10-03 12:28
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                    自此,第一个几何前处理步骤就完成了,开始第二个画流体网格的步骤。导入刚才的模型后,需要划分一个图层,好让软件知道哪块是螺旋桨。


                    IP属地:陕西13楼2020-10-03 12:32
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                      然后这里还要说一句。在第一个步骤里,不知大家发现了没有,在边缘处有一些很小的圆角处理。这种细节对于流动仿真是没有明显影响的,反而会造成后期画网格的时候网格尺寸过于小。因此,这里必须进行一个几何简化的步骤,就是删去一些没什么用的细节,但还要和原模型基本保持一致。最终结果如图三所示。


                      IP属地:陕西14楼2020-10-03 12:36
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                        网格划分就不多说了,这是最终完成的网格。


                        IP属地:陕西15楼2020-10-03 12:37
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                          估计有人之前就在想,为啥只搞一片桨叶呢?这里揭晓答案,把一个处理好再复制三个不是更快吗,哈哈哈


                          IP属地:陕西16楼2020-10-03 12:39
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                            下面进行计算工作,在STAR-CCM+中将我们之前创建的扁圆柱指定为MRF区域,然后增加一些新的圆柱。这些圆柱的作用是让圆柱内部的网格变得更密,从而合理分布网格。


                            IP属地:陕西17楼2020-10-03 12:42
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                              密恐慎点。。。
                              这就是我们的网格。。。


                              IP属地:陕西18楼2020-10-03 12:43
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