Sürü halinde hareket eden döner kanatlı insansız hava araçlarının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile analizi

Abstract

Bu çalışmada, dört rotorlu insansız hava araçlarından oluşan kare biçimindeki sürünün aerodinamik davranışları, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yöntemiyle üç boyutlu olarak incelenmiştir. Sürü içeresinde farklı dizilim (geniş, orta ve dar mesafeli) tiplerinde bulunana insansız hava araçları analiz edilmiş ve sürü yapılarının aerodinamik etkileri ortaya konmuştur. Sürü içerisinde dört adet insansız hava aracı kullanılmıştır. Bunlardan ikisi üst sırada diğer ikisi alt sırada yerleştirilmiş ve farklı yakınlaşma mesafelerinde oluşan aerodinamik davranışları analiz edilmiştir. Pervanelerin döner ve sabit bölgeler arasındaki etkileşimleri modellemek için Hareketli Referans Çerçevesi yöntemi kullanılmış, analizler 10.000 devir/ dakika hızında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, analizlerde parametrik yöntemler kullanılmış ve optimizasyon süreçlerinde Python, Perl, CEL ve CCL dillerinde kodlar yazılmıştır. Sürü içerisindeki insansız hava araçlarının yatay ve dikey eksenlerde farklı mesafelerde konumlandırılmasının aerodinamik performans ve akış davranışları üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde ele alınmıştır. Elde edilen veriler doğrultusunda, basınç, hız ve türbülans kinetik enerjisi dağılımları grafiksel olarak görselleştirilmiştir. Özellikle, rotor merkezleri arasındaki 75 cm olan orta dizilim ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Bu çalışmada sürü uçuşları sırasında insansız hava araçları arasında meydana gelen aerodinamik etkileşimlerin önemi vurgulamış ve “Yakın-İHA Fenomeni” olarak adlandırılan yeni bir kavram tanımlamıştır. Bunun yanı sıra, aşağı yönlü akımların sürü performansı üzerindeki etkileri tespit edilmiştir. Sonuç olarak, sürü İHA’ların uçuş güvenliğinin artırılabilmesi için aerodinamik kararlılığın göz önünde bulundurulması gerektiği ortaya konulmuştur. İHA’ların sürü dinamiklerini daha iyi anlamaya ve dizilim stratejilerini geliştirmeye yönelik literatüre önemli katkılar sağlamıştır.

In this study, the aerodynamic behaviors of a square-formation swarm consisting of quadrotor unmanned aerial vehicles (UAVs) were examined three-dimensionally using the Computational Fluid Dynamics (CFD) method. Unmanned aerial vehicles within the swarm were examined under different types of formations (wide, medium, and narrow spacing) and the aerodynamic effects of swarm configurations were revealed The swarm consisted of four unmanned aerial vehicles, two of which were positioned on the upper row and the other two on the lower row. The aerodynamic behaviors at different proximity distances were analyzed. The Moving Reference Frame (MRF) method was employed to model the interactions between the rotating and stationary regions of the propellers, and the analyses were carried out at a rotational speed of 10 000 RPM. Additionally, parametric methods were utilized in the analyses, and codes were developed in Python, Perl, CEL, and CCL for optimization processes. The effects of positioning the UAVs within the swarm at different distances on the horizontal and vertical axes on aerodynamic performance and flow behaviors were examined in detail. Based on the obtained data, the distributions of pressure, velocity, and turbulence kinetic energy were graphically visualized. Specifically, the medium configuration with a 75 cm spacing between rotor centers was examined in detail. This study highlighted the significance of aerodynamic interactions occurring between UAVs during swarm flights and introduced a new concept referred to as the “Near-UAV Phenomenon”. Additionally, the effects of downward flows on swarm performance were identified. In conclusion, it has been demonstrated that aerodynamic stability must be considered to enhance the flight safety of swarm UAVs. The study has made significant contributions to literature by improving the understanding of swarm dynamics and developing formation strategies for UAVs.