飞行的大疆精灵3(Phantom 3)无人机

本文摘要（由AI生成）：

本文探讨了大疆精灵3无人机的飞行性能，特别是通过CFD（计算流体动力学）模型分析了其螺旋桨产生的涡结构、表面压力分布以及螺旋桨位置、天气条件对飞行性能的影响。研究发现，原装叶片相比碳纤维叶片能产生更强的涡结构和更大的升力，而螺旋桨的位置对升力影响较小。机身和摄像头位于螺旋桨下方有助于减少飞行噪音。此外，风速和风向对无人机飞行稳定性有显著影响，可能导致无人机翻转。这些发现对优化无人机设计和提高飞行性能具有重要意义。

         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。

                                                                         民用无人机的应用[1]

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。

                                                                       大疆精灵3无人机和CFD计算模型[4].

                                                          大疆精灵3无人机飞行时产生的涡结构[4].

        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。

                                                      大疆无人机的飞行时产生的涡结构和表面压力分布[2].

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%。