Validierung des Simulationsframeworks VAST für die aerodynamische Simulation von Quadrokoptern

Kurzfassung

In dieser Studienarbeit wird mithilfe des Simulationsframeworks VAST (Versatile Aeromechanics Simulation Tool) die Rotorinteraktion eines Quadrokopters untersucht. Ziel ist es, das Framework VAST für diesen Testfall zu validieren. Zur Simulation der Rotorinteraktionen in VAST erfolgte die Kopplung mit Freewake. Es wurden, neben mehreren Dualrotor-Konfigurationen, zwei Anordnungen mit vier Rotoren untersucht: die Square und die Diamond-Konfiguration. Dabei wurden verschiedene Anstellwinkel und Rotorabstände betrachtet. Die Auswertung der Rotorperformance fand in Bezug auf Ergebnisse eines isolierten Rotors statt. Zur Validierung der Ergebnisse aus VAST wurden experimentelle Daten und Resultate aus anderen Simulationsframeworks herangezogen. Die Square Konfiguration zeigt einen nachteiligen Einfluss des Rotorabwinds auf die hinteren Rotoren und konnte in keiner der untersuchten Anordnungen die Effizienz im Vergleich zu dem isolierten Rotor steigern. Insbesondere bei nach hinten geneigten Anstellwinkeln ist dieser Effekt besonders ausgeprägt. In dieser Konfiguration treten starke Wirbel-Rotor-Interaktionen auf, die VAST mit einer maximalen Schubabnahme des Gesamtsystems von 9% berechnet. Im Gegensatz dazu kann mit der Diamond-Konfiguration bei nicht-überlappenden Rotorabständen die Effizienz des Gesamtrotorsystems gesteigert werden. Hier können in der optimalen Anordnung von d=D = 1:2 bis zu 4% Schubzunahme des Gesamtsystems im Vergleich zu dem isolierten Rotor festgestellt werden. Die Ergebnisse aus VAST zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten aus dem Experiment. Insbesondere bei der Berechnung der Parameter des Gesamtsystems stimmen die Ergebnisse aus VAST sehr gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Die Interaktionseffekte werden von VAST erkannt, allerdings in den meisten Anordnungen geringer als in anderen Softwaretools. Besonders bei nach hinten geneigten Konfigurationen treten starke Interaktionseffekte auf. Hier weisen die Ergebnisse aus allen Softwaretools eine große Streuung auf, insbesondere beim Drehmoment.