飞行的大疆精灵3(Phantom 3)无人机
近年来随着民用无人机的快速发展，无人机的应用开始渗透到各个领域。在物流运输、农业植保、地理测绘、视频拍摄等领域，无人机发挥着举足轻重的作用。不同领域对无人机的性能要求并不一样，例如，物流运输和农业植保更关心无人机的最大载荷，地理测绘更注重无人机的飞行高度和航程，而视频拍摄对无人机的稳定性有更高的要求。为了设计出满足不同需求的无人机，一个需要充分考虑的因素是无人机的空气动力学特性。简单来说，无人机螺旋桨的分布和螺旋桨叶片的形状、大小甚至是材料对无人机的飞行速度、高度和稳定性等飞行性能有十分重要的影响。
大疆精灵3无人机
NASA利用CFD对大疆精灵3(DJI Phantom 3)无人机的空气动力学特性进行了详细的计算和分析[2-4]。在该项目中，NASA首先利用高精度激光扫描技术得到无人机的几何形状并利用Overset网格技术生成对应的CFD计算模型，随后利用高精度的计算方法得到CFD的计算结果并进行分析。
下图显示的是CFD计算得到的大疆精灵3无人机飞行时的产生的涡结构。从图中可以看出，螺旋桨叶片产生的涡结构从上往下运动，说明叶片的旋转推动了周围的空气向下运动。因此，被向下推动的空气会给叶片有向上的反作用力，这个反作用力就提供了无人机悬浮在空中或者向上飞行时所需要的升力。图中不同的颜色表示了无人机表面的压力分布，红色表示压力较大的区域而蓝色表示压力较小的区域。可以看出，螺旋桨叶片的下表面压力较大而上表面压力较小，从而下表面和上表面之间存在压力差，该压力差就是叶片升力的根本来源。
原装叶片 vs. 碳纤维叶片
螺旋桨叶片的材料对整体无人机的整体性能有很大的影响。在无人机使用者中，经常有人选择使用碳纤维螺旋桨叶片。通常来说，碳纤维叶片比原装的叶片产生的噪声更小，寿命也更长。但是，原装叶片和碳纤维叶片对无人机的飞行性能有没有影响呢？CFD计算可以给出这个问题的答案。下图显示的是使用原装叶片和碳纤维叶片的无人机螺旋桨所产生的涡的强度，可以很明显的看出原装叶片产生的涡的强度更大，也就意味着在相同条件下，原装叶片可以提供的升力比碳纤维叶片提供的升力要大。CFD计算结果显示，在一些情况下，原装叶片产生的升力比碳纤维叶片产生的升力大26%。
螺旋桨位置的影响
在大疆精灵3无人机中，螺旋桨的位置在顶部，机身和摄像头等其他部件在螺旋桨的下方。那如果把螺旋桨置于无人机的底部，对螺旋桨产生的升力会有什么的影响？下图显示了螺旋桨在顶部和底部时，螺旋桨周围空气的速度大小。可以看出，螺旋桨无论是在顶部还是在底部，周围空气的速度基本相同，也就说明螺旋桨的位置对升力几乎没有影响。但是，进一步的CFD计算分析表明，机身和摄像头等其他部件在螺旋桨的下方时，会减弱不同螺旋桨产生的涡之间的相互作用，因而有助于减小无人机飞行时产生的噪音。
天气的影响
资料来源：
[1] https://www.tmtindustryinsider.com/2014/05/commercial-use-of-unmanned-aerial-systems-are-they-legal/
http://www.goepe.com/apollo/prolist-nyj2010-2444420-2.html
https://www.dji.com/cn/phantom-3-pro
[2] https://www.nas.nasa.gov/SC17/demos/demo5.html
[3] Ventura Diaz, P. and Yoon, S., 2018. High-fidelity computational aerodynamics of multi-rotor unmanned aerial vehicles. In 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting.
[4] Ventura Diaz, P. and Yoon, S.S., 2018. A Physics-Based Approach to Urban Air Mobility.
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