Computational and experimental investigation of quadrotor aerodynamics and aeroacoustics

Aerodynamische Wechselwirkungen haben einen entscheidenden Einfluss auf die Flugleistung und die aeroakustische Signatur von Quadrokoptern. Free-Wake-Methoden ermöglichen es, komplexe Multirotor-Strömungen mit geringem Rechenaufwand nachzubilden, wurden aber ursprünglich für Simulationen von Hubschrauberrotoren entwickelt. Daher ist es Ziel der Studie,
die Anwendbarkeit einfacherer (lower fidelity) Methoden für die Vorhersage der Flugleistungen kleiner Rotoren nachzuweisen, die auch als Input für aeroakustische Berechnungen verwendet werden. Ein weiterer Fokus der Arbeit liegt auf der Charakterisierung von aerodynamischen Wechselwirkungen, die einen erheblichen Unterschied zur Superposition von Einzelrotoren verursachen.
Dazu werden Quadrokopter-Konfigurationen sowohl experimentell als auch numerisch mit Strömungslösern unterschiedlicher Genauigkeit (fidelity) untersucht, darunter mehrere Free-Wake-Methoden und ein URANS-Löser. Die Effizienz der Diamantkonfiguration mit nicht überlappenden Rotorblättern wird im Vergleich zu vier isolierten Rotoren um 5% gesteigert. Bei aufgenickter Rotorebene ist der Effekt durch verstärkte aerodynamische Wechselwirkungen ausgeprägter. Dabei steigt die Effizienz der Diamantkonfiguration um bis zu 11% bei einem Rotorabstand von 1.2 Rotordurchmessern. Im Gegensatz dazu, erweisen sich die Wechselwirkungen in der Kreuzkonfiguration für alle Rotorabstände als nachteilig, mit einem Optimum bei einer Blattüberlappung von 0.04 Rotordurchmessern. Eine vertikale Anhebung der hinteren Rotoren über die Ebene der vorderen Rotoren in der Kreuzkonfiguration verbessert die Flugleistung des Quadrokopters, während eine Anhebung des hinteren Rotors in der Diamantkonfiguration dessen Effizienz verringert.