Computational fluid dynamics analysis of a quadrotor

Abstract

Quadrotor, which is capable of VTOL (Vertical Take-off and Landing) by means of four propellers, is a commonly used UAV (Unmanned Aerial Vehicle) for lifting loads, civil or military observations and also entertainment. Various quadrotor types are available, for instance remotely controlled devices for lifting, civil observations and entertainment and autonomous controlled quadrotors for military services. There are many studies on how to control VTOL UAVs. The most remarkable issue is the determination of lift, thrust and drag forces. These forces are measured via experimental platforms, thus the static forces can only be determined with these types of platforms. The measurements of dynamic forces on UAVs are really difficult. However, CFD (Computational Fluid Dynamics) analyses make the dynamic force determination easier. Not only lift and drag forces on propellers but also the aerodynamics effects on quadrotor body can be simulated with suitable CFD processes. The aim of the present study is to analyze a quadrotor via CFD and determine the aerodynamics behavior of a quadrotor.

Quadrotor, 4 rotor vasıtasıyla VTOL (dikey iniş ve kalkış) kapasitesine sahip, genel olarak yük kaldırma, sivil ve askeri gözlemler ve eğlence için kullanılan IHA (insansız hava aracı) türüdür. Eğlence, yük kaldırma ve sivil uygulamalar için uzaktan kontrollü veya askeri uygulamalar için otonom kontrollü çeşitli quadrotorlar dizayn edilmiştir. VTOL İHA’ların kontrolleri ile ilgili çeşitli araştırmalar ve deneyler yapılmaktadır. En dikkat edilmesi gereken konu ise kaldırma, sürtünme ve itki kuvvetlerinin ölçümleridir. Bu kuvvetler deneysel platform vasıtası ile ölçülebilir, aslında sadece statik kuvvetler bu tip platformlar sayesinde hesaplanabilir. Dinamik kuvvetlerin ölçümleri oldukça zordur. Ancak, CFD (Hesaplanmalı Akışkanlar Dinamiği) analizleri dinamik kuvvetlerin ölçümlerini kolaylaştırır. Sadece kaldırma ve sürtünme kuvvetlerini değil, quadrotor üzerindeki aerodinamik efektleri de doğru CFD süreçleri ile hesaplanabilir ve simule edilebilir.