低空飞行：新兴领域的崛起

早在2021年，低空经济就已经被国家列为国家未来战略产业。在此之后，低空飞行领域迎来爆发式增长。低空飞行凭借其独特的优势，在民用、商业等多个领域得到了广泛的应用。在民用层面，低空飞行的无人机喷洒农药，不但可以提高喷洒效率还可以减少人员对农药的直接接触；还有在旅游业中，游客可以乘坐直升机从不同的视角俯瞰整个景区的全貌。商用层面，随着城市空中交通概念的兴起，电动垂直起降飞行器（eVTOL）成为了研究和发展的热点。从物流无人机到城市空中交通载具，低空飞行器成为了未来人们生活的重要参与者。

然而，低空飞行的发展也面临着诸多挑战。其中，外气动特性和气动噪声问题是影响低空飞行器性能和应用的关键因素。不同的飞行高度、速度以及复杂的气象条件，都会对飞行器的外气动特性产生显著影响，进而影响飞行器的飞行稳定性、操控性和能耗等性能指标。ANSYS作为全球仿真领域领导者，通过CFD外气动仿真、声学比拟模型及宽频噪声分析，可构建从外气动性能优化到气动噪声预测的全流程解决方案，实现从流场预测到噪声控制的闭环优化，助力企业突破技术瓶颈，满足严苛声学法规要求与用户体验需求。

一、外气动仿真：精准捕捉复杂流场特性

外气动仿真作为研究飞行器与外部气流相互作用的关键手段，在低空飞行领域发挥着不可或缺的作用。ANSYS CFD提供行业领先的计算流体动力学解决方案，支持可压缩流、湍流模型（LES/DES）及高精度网格划分。与此同时，ANSYS具有强大的流固耦合计算功能模块，能够有效地耦合求解出飞行器机翼在不同环境下的变形以及机翼附近的流场等参数。基于 Ansys 系列仿真工具，可构建针对低空飞行器外气动性能优化的精准技术支撑。

1、仿真案例介绍

1.1 无人机桨叶仿真设计与优化

以某公司专业版无人机四轴飞行器的螺旋桨叶片设计和优化为例，介绍Ansys CFD流动仿真带给飞行器外气动设计的助力。

- 首先，我们可以针对飞行器螺旋桨的几种不同材料和外形进行空气动力学计算，能够得到由此产生的升力、推力和速度等参数。

- 螺旋桨叶片的剖面和攻角：在Ansys Fluent中对三种螺旋桨设计进行了CFD分析，以测量不同攻角和转速下的推力。研究发现，在中等攻角下，扭曲或有弧度的叶片轮廓能产生更优的升力，这使得叶片轮廓和攻角成为最大化升力的关键设计参数。

从升力系数趋势比较来看，在所有三种转速情况下，螺旋桨2具有最高的升力系数，而螺旋桨3产生的升力系数最低。对于阻力系数，螺旋桨1提供最高的阻力，而螺旋桨2具有最低的阻力。攻角和转速都会影响升力、阻力系数和推力的结果。由于攻角和无扭曲叶片的影响，螺旋桨2显示出产生的推力最大。

2、直升机旋翼设计的相关案例

2.1 参数化旋翼建模与CFD评估：通过参数化方法在Ansys Fluent中生成并进行气动分析，采用优化网格自适应技术，重点针对叶片弦长、展长以及翼型精细化进行仿真设置。通过CFD仿真获取了不同工况下的升力与阻力数据，为在多种运行条件下实现最佳升力性能提供了关键的几何设计指导。

计算结果如表所示，结果与解析计算值的平均偏差为 4%。该对比基于阻力与直升机重量的解析计算值。其中，直升机飞行所需的升力已充分满足需求。

2.2 翼型与表面改进：在Fluent中对旋翼桨叶翼型的优化研究表明，实现高升阻比(L/D)对于在保持制造可行性的同时最大化直升机升力至关重要。同时还模拟了被动流动控制机制(如表面槽缝或凹坑)，发现这些机制能够在延迟边界层湍流的同时提高升力系数，从而增强升力的稳定性。

在翼型的前缘实现了更好的曲率过渡，从而使升阻比提高了1.2%。

3、ANSYS CFD外气动仿真解决方案

除了以上介绍的关于ANSYS CFD在低空飞行器领域的技术应用之外，Ansys本身还对求解计算的能力进行了优化提升，可以有效地提高工程师解决技术问题的效率，具体体现在以下几个方面：

3.1 全新Ansys Fluent Native GPU加速求解器

GPU加速求解器可以很好加快求解速度，缩短仿真计算周期。以高超音速飞行器X-43 (实体)几何模型为例，总网格单元数约24.6M，各个壁面包含10层附面层网格(包含3.4M六面体网格21.2M多面体网格)，64核并行划分网格相较于单核速度可提升15倍。

3.2 Virtual Blade Model(VBM)虚拟旋翼模型:

针对螺旋桨模型，我们采用圆盘计算域等效替代真实旋转叶片，可高效模拟各种旋翼飞行器的外流场。采用无厚度圆盘disc模拟旋翼效果，可以在监测变量中监测升力、功率、转矩和俯仰力矩等。

3.3 Fluent Aero Workflow外气动仿真模板:该部分是ANSYS开发的专为航空外气动模拟设计的工作区模块，主要应用于航空航天领域，支持从亚音速到高超音速的飞行条件参数化计算。特别适用于分析飞行器在不同迎角、马赫数、高度等参数下的气动性能，同时还支持壁面热边界条件。

3.4 Dynamic(动网格) & Overset Mesh(嵌套网格)技术

Dynamic Mesh(动网格)和Overset Mesh(嵌套网格)是ANSYS Fluent中用于模拟运动边界和变形流场的专用技术模块，支持刚体运动（平动、转动）和柔性变形，能够实现网格的动态更新和重划分，动网格通过实时重构网格可保证运动过程中网格质量始终符合仿真要求。

二、气动噪声仿真：多尺度声学建模与降噪验证

随着四旋翼无人机在城市和郊区环境中日益普及，其产生的噪音已成为一个重要问题。无人机噪音受多种因素影响，包括电机的尺寸和数量、螺旋桨直径、转速以及运行环境。能够模拟无人机的气动声学特性，有助于深入了解噪音的来源，以及无人机附近区域的预期噪音水平。

1、气动噪声分类

Thickness Noise：

主要由叶片自身转动推动空气运动形成的噪声，属于单极子噪声源

Loading Noise：

主要由外界空气流经旋转叶片，与旋转叶片相互作用产生的，属于偶极子噪声

Volume Noise：

由空气流动过程中各种小的湍流旋涡形成的，包含不同的频率和幅值大小，属于四极子噪声

2、Fluent噪声计算方法分类

稳态计算方法：

包括宽频率噪声和Gutin模型。声源的产生是由稳态RANS方法计算得到，可对产品设计进行定性判断

类推分析方法：

流场基于瞬态CFD仿真求解而噪声的传播基于声波传播公式进行解耦后单独计算，Fluent提供基于FW-H声波传播模型的类推分析方法

直接计算方法：

直接对可压缩流动进行求解并计算声压传播(非定常流动求解声源+噪声传播+噪声反射)，该方法计算精度最高，计算消耗资源巨大，网格尺度要求高

第三方软件耦合求解：

可支持和其他第三方声学软件耦合求解

3、Ansys CFD气动噪声仿真核心功能

Ansys CFD通过多物理场耦合仿真实现eVTOL气动噪声的全流程评估，可同时对飞行器近场、远场气动噪声进行仿真分析。全面支持MRF旋转参考坐标系方法，可模拟旋翼旋转等eVTOL产品上常见的气动问题。

气动噪声声源提取:

基于CFD流场计算，结合FW-H方程(声类比方法)，将旋翼/机身表面压力脉动转换为声压信号。瞬态仿真求解旋翼旋转时的非定常噪声，稳态仿真评估巡航阶段的平均噪声水平。

声场传播与环境交互：

采用边界元法或射线追踪法模拟噪声在大气中的传播，考虑温度、风速等气象条件对声速的影响，实现远场噪声预测。

多物理场耦合仿真：

可支持气动-结构-声学耦合，流场载荷(CFD)驱动机身或旋翼结构振动(ANSYS Mechanical)，再通过结构声学仿真(ANSYS Acoustics)计算舱内/外噪声。

降噪优化与参数化设计：

通过Optislang评估桨叶翼型、转速、桨距等参数对噪声的影响，识别降噪关键因子，通过仿真进行多目标优化，输出最优设计方案。

4、四轴无人机的气动声学模拟案例

本案例采用 Ansys Fluent 软件，仿真针对简化的四旋翼无人机模型展开。研究呈现了无人机下方多个点位的噪音特征结果，模拟了无人机在人口密集区域附近悬停时的场景。

1、简化模型以及初始工况：模型为具有四个螺旋桨的简单四轴飞行器几何结构。机翼采用反向旋转的螺旋桨，这是无人机设计的典型特征。

2、螺旋桨旋转方向

3、网格与计算域：使用Fluent Meshing生成网格。网格类型选择多面体网格，使用BOI来局部加密无人机机身和螺旋桨附近的网格。总网格数量约为1627万，计算域边界定义为半径=5m的球体。

4、求解设置：采用非定常、可压缩流动求解模型，螺旋桨采用滑动网格界面(Sliding Mesh Interface)模拟运动。无人机近场使用 SRS 湍流模型，输运方程采用二阶离散格式，选择LSQ 方法计算梯度，SIMPLEC 算法进行压力-速度耦合，气动噪声采样，时间步长调整为 Dt = 1.0×10⁻⁵ s

5、声学模型设置：采用(FW-H)声学类比模型，并将所有运动网格界面定义为声源面

6、气动噪声仿真结果展示

7、声学接收器位置：接收器位置位于无人机中心正下方5m和10m处，以及横向偏移10m的若干位置。采集数据超过5200个时间步，频率分辨率约为20Hz。

8、仿真后处理：对计算得到的结果进行处理之后生成的声音可被播放，也可用于噪声的定性评估。对生成的声音曲线部分展示如下，

本案例展示了对简化无人机模型的空气声学仿真。案例基于ANSYS Fluent软件完成，结合 Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) 声学类比方法与高保真 SRS 湍流模型。为分析其声学特性，在无人机下方若干选定位置获取噪声信号。结果发现，在位于无人机正前方、正后方以及正下方中心位置的接收器处，均存在显著的一阶、二阶和三阶谐波成分。

本案例通过 Fluent中的VRXperience Sound导出功能生成了声音文件，实现了对 CFD 预测的气动噪声进行听觉评估。针对每个接收器计算了总体声压级，并观察到分贝值的变化趋势与各接收器对应的 FFT 声学频谱特征一致。后续工作可以通过增加采样数量进一步提高频率分辨率，使用桨叶表面作为FW-H声源，以减小asd文件大小

三、技术方案总结

目前Ansys CFD在低空飞行器相关技术开发方面已取得显著进展，通过上述介绍的模块为eVTOL外气动仿真提供了可靠的解决方案，并将功能成功应用至市场，但整体而言，该领域技术仍处于持续完善与优化阶段。我们相信通过不断地在市场实践之后，通过工程师们的反馈，这些方案一定会更准确更高效地服务于飞行器行业。