小型无人机系统 （sUAS） 是一种独特的无人机，其最大重量（包括有效载荷）为 55 磅 （lbs.），并且限制飞行速度低于每小时 100 英里 （mph）。这种类型的无人机在商业用途中变得非常流行，例如房地产中的航空摄影，以及电线杆和蜂窝塔的检查。此外，亚马逊和联合邮政服务（UPS）等大型包裹递送公司正在调查无人机的使用。

位于堪萨斯州威奇托市威奇托州立大学的国家航空研究所（NIAR）最近设计了一个sUAS作为技术演示器，以突出NIAR在sUAS设计分析和制造方面的能力。NIAR选择的设计规格是让sUAS以50英里/小时的速度巡航，最大起飞重量为55磅。无人机使用电力推进进行垂直起飞 （VTOL） 飞行，并使用带有推进螺旋桨的内燃机进行向前飞行。在参数化计算机辅助设计（CAD）模型上进行了多次设计迭代，以空气动力学设计机翼。

使用增材制造技术制造了三分之一比例的风洞模型，并在NIAR Walter H. Beech风洞进行了测试。比较了计算流体动力学（CFD）结果和风洞试验结果。此外，还进行了CFD-热耦合分析，以了解风冷内燃机的冷却性能。

结果表明，sUAS的风冷内燃机的冷却性能有所改善。sUAS的空气动力学设计受到以下利益相关者要求的启发：

无尾、多变体配置

能够执行搜索和救援任务，并下降五磅的有效载荷并达到 50 英里/小时的巡航速度

前向飞行续航力达五小时

最大起飞重量为 55 磅，符合美国联邦航空管理局 （FAA） 第 107 部分认证类别

图 1：sUAS 数值模型中使用的笛卡尔网格。

NIAR使用Siemens Digital Industries Software的Simcenter™ FLOEFD™软件对sUAS进行空气动力学设计。NIAR认为Simcenter FLOEFD比其他CFD代码具有许多优势。其CAD嵌入式功能允许自动检测流体区域，无需修改或清理几何形状。因此，评估多个设计迭代的提前期更短。沉入式笛卡尔网格允许为任何复杂的几何体快速构建网格。

对翼型、后掠角和入射角以及二面角的不同组合进行设计参数化研究，以优化气动性能并实现稳定配置。

Simcenter FLOEFD基于FavreAveraged Navier-Stokes模型。控制方程使用有限体积方法离散化。NIAR在这项研究中使用了Simcenter FLOEFD中基于压力的求解器。它基于空间导数的二阶精度和时间导数的一阶精度的隐式方案。计算流动为完全湍流，并使用修正的k-e双方程湍流模型。本研究中使用的笛卡尔网格如图1所示。压力分布和马赫数轮廓如图2所示。

图 2：速度 = 50 mph、迎角 = 0° 时的马赫数轮廓和表面压力分布