Thrust and torque prediction of multicopter propeller in hovering based on BET method

BET 기법을 이용한 멀티콥터 프로펠러의 정지비행시 추력 및 토크 계산

Abstract

In the present work, the thrust and torque of multicopter propellers in hovering are predicted based on BET method. The geometry information of the propellers is obtained using a three dimensional scanner and the airfoil section is extracted using CATIA. EDISON CFD is adopted to calculate the drag and lift of airfoil at a given geometry and flow conditions and then thrust is calculated with respect to a given RPMs based on BET. Two simulations with laminar and turbulent flows are considered. The predicted value is compared with the performance data from the Product Company and results from JavaProp software, which is used in the design and prediction of propellers. In the case of a 9-inch propeller, the thrust from the product company is corresponding to the results between the laminar and turbulent flow conditions. In the 16-inch case, the predicted thrust at turbulent flow conditions conformed well with reference one. The predicted torque shows a big difference with the reference data.

본 연구는 BET 기법을 이용하여 멀티콥터에 사용되는 프로펠러 두 종류의 정지 비행 시 추력과 토크를 계산하였다. 3차원 형상 측정 장비로 프로펠러의 형상 정보를 추출하였으며 CATIA를 이용하여 에어포일의 단면 형상 데이터를 획득하였다. 추출된 에어포일 형상과 RPM 변화를 고려한 유동조건에 따른 양력 및 항력을 EDISON CFD를 활용하여 구한 다음 BET 기법을 이용하여 추력을 예측하였다. 이때 층류와 난류 두 조건에 대해 계산하여 그 결과를 비교하였다. 계산된 추력 결과를 제작사에서 제공하는 성능 데이터와 JavaProp 프로펠러 성능 예측 소프트웨어의 결과와 비교하였다. 추력의 경우, 9인치 프로펠러의 경우 제작사에서 제공하는 성능은 완전 난류 조건의 결과와 층류 조건 결과의 중간 값에 해당되었으며, 16인치 프로펠러의 경우 난류유동 조건 결과와 근사한 결과를 얻을 수 있었다. 토크는 두 모델 모두 예측값과 제작사의 성능 데이터와 큰 차이를 보였다.

Fig. 1 Schematic of BEM theory

Fig. 2 Flowchart of calculation based on BET

Fig. 3 Propellers (left)9×4.5MR (right)16×8E

Fig. 4 Solutionix Rexcan3

Fig. 5 Extraction of airfoil section using CATIA

Fig. 6 Geometric information of airfoil w.r.t. sections (left) and mean profile (right)

Fig. 7 Angle of attack and chord length of two propellers

Fig. 8 Computational domain and generated grid around an airfoil

Fig. 9 Residual history w.r.t. iterations

Fig. 10 C_L & C_D history at r=0.068m(9in) and r=0.1027m(16in) at 7000 RPM

Fig. 11 C_L and C_D of airfoil w.r.t. the distance from the hub

Fig. 12 Thrust comparison of two propellers

Fig. 13 Torque comparison of two propellers

Table 1 Propeller(APC社) specifications

Table 2 Solutionix Rexcan3 specifications

Table 3 Parameters for EDISON CFD