Performance characterization of the propulsion system of a quadcopter in hover
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Resumen
El uso de vehículos aéreos no tripulados (UAVs) se ha incrementado en los últimos años, ganando cada vez más aplicaciones en diferentes campos de la industria. Los cuadricópteros son la plataforma más utilizada para la construcción de UAVs debido a su alta maniobrabilidad y facilidad de operación. Predecir el campo de flujo desarrollado por los rotores es complejo, además los cambios de las condiciones atmosféricas afectan su desempeño energético y por tanto el tiempo de vuelo del cuadricóptero. En este trabajo se utiliza dinámica computacional de fluidos (CFD) para simular la operación del rotor de un cuadricóptero operando en hover y determinar cómo varia su desempeño aerodinámico al cambiar las condiciones atmosféricas de operación. También se usa el método de red de vórtices no estacionario (UVLM) para realizar simulaciones del cuadricóptero y estudiar como la presencia del fuselaje y la interacción entre las estelas afecta el desempeño aerodinámico del rotor. A partir de los resultados computacionales se propone un modelo matemático simple que permite estimar la eficiencia del sistema de propulsión del cuadricóptero en hover y su tiempo de vuelo en función de la carga del cuadricóptero y la altura en donde se realiza la misión. La validación de los resultados computacionales se realiza por medio de pruebas experimentales para la caracterización de un solo rotor y pruebas de vuelo del cuadricóptero ARAKNOS V2, de la compañía colombiana ADVECTOR, el cual ha sido el vehículo seleccionado para este estudio
Resumen
The use of unmanned aerial vehicles (UAVs) has increased in the last years, with new applications for different fields of the industry. Quadcopter is the most used platform for the construction of UAVs due its high maneuverability and easy operation. Prediction of the flow field developed by the rotors is complex, and the atmospheric conditions affect their energy performance and therefore the flight time of the quadcopter. This study uses Computational Fluid Dynamics (CFD) to simulate the hover operation of a quadcopter rotor and to research how its aerodynamics vary when the operational atmospheric conditions are changed. The Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM) is also used to simulate the quadcopter and to investigate how the fuselage and interaction between rotors wakes disturb the aerodynamic performance of the rotors. From computational results, a simple mathematical model is proposed. With this model, it is possible to estimate the total hover efficiency of the quadcopter as function of the operational Reynolds Number. It is also possible to estimate the flight time of the quadcopter as function of the total weight of the vehicle and the altitude of the mission. Computational results are validated though experimental test. These tests include single rotor characterization and quadcopter flight test. For this study, the quadcopter ARAKNOS V2 from the Colombian company ADVECTOR was selected