17、两栖无人机的数值研究：CFD 分析与性能评估

两栖无人机的数值研究：CFD 分析与性能评估

1. 引言

无人机（UAV）在众多领域得到了广泛应用，如精准农业、环境监测、航空成像、追踪与保护、观察与监视、控制线和电信塔评估等。然而，在偏远水域进行水质检测和水样采集方面，无人机的应用相对较少。

能够飞行、降落并在水面滑行的无人机面临诸多挑战，包括飞行过渡控制、材料选择、推进系统、能源消耗和有效载荷能力等。同时，耐久性、可靠性、安全性和低成本等因素对于工业需求和客户需求至关重要。

市场上已有一些漂浮式无人机，它们旨在在有限时间内覆盖大面积水域。与其他滑行车辆不同，由于采用了气垫船原理，这些车辆避免了与水面的摩擦，从而节省了大量能源。其垂直起降能力使其能够准确地定位在河流、湖泊和其他水域的特定区域，进行水质分析。

影响水陆两用车辆续航能力的一个关键参数是阻力。目前已有一些关于固定翼和旋转翼车辆阻力的研究。本文主要聚焦于对各种湍流模型（如 k - ω、k - ε 和 SST k - ω）进行 CFD 分析，以确定不同迎角（AoA）和相对速度条件下的阻力系数。

1.1 无人机应用领域列表

• 精准农业
• 环境监测
• 航空成像
• 追踪与保护
• 观察与监视
• 控制线和电信塔评估
• 水质检测和水样采集（较少应用）

2. 建模

两栖模型的概念设计融合了多旋翼和气垫船的原理，如图 1 所示。为了减少计算量，模型按 1:0.25 的比例缩小。同时，为了保持与原型的雷诺数一致，速度提高了四倍