Volumetrische Wake-Untersuchung eines frei fliegenden Quadcopters mittels Shake-The-Box Lagrangian

Die Shake-The-Box-Technik wurde angewendet, um das zeitlich aufgelöste volumetrische Strömungsfeld um ein frei fliegendes Quadcopter-UAV mit einer Gesamtspannweite von etwa 0,5 m experimentell zu quantifizieren. Modernste LED-Beleuchtung und Hochgeschwindigkeitskamera-Ausrüstung wurden mit modernen Lagrangian-Tracer-Partikelverfolgung und Datenassimilationstechniken kombiniert, was ein Messvolumen von mehr als 1,5 m³ ermöglichte. Der Aufbau erlaubte sowohl Schwebeflug als auch begrenzte Manöver des Quadcopters, während selbst kleine Details der komplexen interaktiven Aerodynamik aufgelöst wurden. Im Schwebeflug außerhalb des Bodeneffekts verschmolzen die vier einzelnen Rotorwinden innerhalb weniger Rotorenradien unterhalb der Rotorenebenen zu einem einzigen Strahl. Die Bewertung der Masseströmung und der Impulsströme über geeignete Kontrollvolumen ergibt genaue Schätzungen für den Gesamtschub des Quadcopters, die asymmetrische Schubverteilung zwischen Vorder- und Hinterrotoren sowie die Einströmung externer Strömung durch turbulente Vermischung. Der Schwebeflug im Bodeneffekt verringert den Energiebedarf und induziert zirkulierende Strömung im Zentrum der vier Rotoren. Das Ausströmungsmuster ist nicht gleichmäßig, da sich Jets zwischen den Rotoren entwickeln und radial nach außen zeigen. Vorwärtsflugfälle führen zu einer schiefen, schnell zusammenlaufenden Wake, flankiert von der Rollbildung von zwei "Super-Wirbeln", ähnlich den Wingtip-Wirbeln von Starrflügelfahrzeugen.