マルチロータの地面効果に関する数値解析
米澤 宏一
電力中央研究所 サステナブルシステム研究本部
気象・流体科学研究部門

2021年度将来回転翼機研究会／回転翼解析技術交流会

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発表内容
• 背景と目的• 解析方法• 結果と考察• まとめ• 成果の活用・今後の展望
本資料は、【Yonezawa et al., “Numerical Investigations of Ground Effect of aQuadcopter,” Proc. APISAT2021】の内容を日本語で再構成したものです

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研究の背景マルチロータドローン（電動回転翼型垂直離着陸機）の発展と応用
産業用途の拡大
設備点検、監視、観測、測量など
特殊環境下での自律飛行
狭い空間、設備・建造物の至近距離飛行

Urban air mobility (UAM)
人や物の輸送への応用

小型中心のUAVの大型化
周辺環境への影響

空力干渉問題低空飛行時の地面効果、周囲構造物との空力干渉など
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研究の背景空力干渉問題に関する研究
側壁、天井とドローンの干渉
Tanabe, Y., et al., J. Robotics and Mechatronics, 30 (3), 2018
Yonezawa , K., et al., ARF 2018

ローター配置と空力特性に関する研究
Li, Y. et al., J. Bio. Eng., 18 (4), 2021

トンネル内のローター空力特性
Tanabe, Y., et al., 44th ERF, 2018
米澤、飛行機シンポジウム、2020

地面効果
Tanabe, Y., et al., J. Robotics and Mechatronics, 33 (2), 2021

本研究の目的：地面効果に及ぼすロータ配置の影響*
 可変ピッチロータ
 ロータ回転数、推力一定
 ロータ回転面の高度を変化
 トルクや流れパタンを比較（*Yonezawa et al., “Numerical Investigations of Ground Effect of a Quadcopter,” Proc. APISAT2021)

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4ロータドローンモデル
Specification of quadcopter

4290 Hz0.381 m0.0665 m
0.0402 m
OAF117-21°(スパン方向に線形分布)

ロータの数
1ロータ当たりの翼数
回転周波数
ロータ直径
翼弦長（翼根）翼弦長（翼端）翼型
ねじり角

ロータレイアウト

L/Dd/D

Config. 1

1.410Config. 2

1.760.243(胴体は解析に含まない)

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解析手法
ソルバ: rFLow3D
支配方程式
離散化手法
時間進行法

Background grid
Blade grid3-D compressible Navier Stokes equations
Cell-vertex FVM
Cell-centred FVM
4-stage Runge-Kutta method
Dual-time-stepping LU-SGS

対流項の数値流束
粘性項の数値流束
乱流モデル

Modified SLAU with 4th-order compact MUSCL TVD
2nd order central difference method
Not usedOverlap grid system

ブレードメッシュ
121 (span)×143 (chord)×61 (normal) points
背景格子449 (L) ×449 (W) ×333 (H) points

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結果の評価方法• 高度を変化させた• CT は0.0106 で固定（ブレードピッチ角は変動）• CQ は流れ場の影響で変化
推力係数
トルク係数
無次元加速度 =2022

Thrust
𝐶𝐶𝑇𝑇 =2
𝜌𝜌𝜌𝜌𝑅𝑅 2 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
𝐶𝐶𝑄𝑄 =

Velocity
𝑣𝑣𝑖𝑖

Torque2𝜌𝜌𝜌𝜌𝑅𝑅 3 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡
𝑣𝑣𝑖𝑖 =Thrust2𝜌𝜌𝜌𝜌𝑅𝑅2

流れの可視化：
PLOT3D-FUNCTIONフォーマットに変換(セル中心に値がある場合はセル重心に格子点を配置して可視化用メッシュを生成)→FieldView

誘導速度7結果と考察: Out of ground effect (OGE)CT = 0.0106 (Const.)

Interaction

ロータ回転面における無次元化速度分布

対角上のロータ中心を通る断面上での無次元化速度分布
Configuration1 (L/D=1.41)

CQ = 0.128
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Lower efficiency

Configuration2 (L/D = 1.76)>

CQ = 0.124
Higher efficiency

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結果と考察: 𝐶𝐶𝑄𝑄 vs 高度
IGE (In ground effect)

地面効果により𝐶𝐶𝑄𝑄 は低下する
ロータ間距離が小さい方が𝐶𝐶𝑄𝑄 の低下量が大きい
ロータ間距離を話すと、h/Dで単一ロータの場合よりも𝐶𝐶𝑄𝑄 は増加する。

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結果と考察: 低高度飛行時の速度分布
IGE

L/D=1.41

h/D = 2.0 (OGE)h/D = 1.0 (Transirion)

h/D = 0.5 (IGE)h/D = 1.0 (IGE)h/D = 0.5 (IGE)

L/D=1.76
10h/D = 2.0 (OGE)

対角上のロータ中心を通る断面上での無次元化速度分布

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OGE: ロータ後流は地面に当たると外側に流出する。
IGE: ４つのロータの中心で上昇気流が発生する。

結果と考察: 地面効果発生時の流れ
ロータ回転面における無次元化軸方向速度分布
h/D = 1.0

Upwash regions take place
between neighboring rotors

ロータ回転面高度：h/D =0.5
地面とロータ回転面の中間断面（z/D=0.25）における速度分布

Side jets take place2022

L/D=1.41

L/D=1.76

11隣接ロータ間を通る断面内の速度分布
外向き流れはローター間距
離が小さいほど速度が大きく、影響範囲が広いh/D =0.5y

L/D=1.41

L/D=1.76

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Time-mean velocity magnitude distribution

12対角するロータの中心を通る断面内の速度分布
マルチロータの速度分布はシングルロータと同様ロータ間の距離は速度分布に影響しない。

h/D =0.5
L/D=1.41

L/D=1.76

2022

Time-mean velocity magnitude distribution

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まとめ
推力を一定に保ったホバリング状態において、マルチロータ（4ロータ）ドローンのロータ間距離が地面効果に及ぼす影響を調べた。
 ロータ間距離が小さいほど、低高度でのトルク減少は顕著になる。一方で、ロータ間距離が大きいと高高度飛行よりもトルクが大きくなる高度範囲が存在する。
 マルチロータの地面効果による流れの特色は３つに分けられる。
１） 地面効果が表れると、中央付近で上昇気流が生じる
２） 隣接ロータの間から、機体中心より外向きの噴流が生じる
３） マルチロータ機の対角線上の速度分布はシングルロータ機の周囲の速度分布と同様
上記１）はロータ間隔が大きい方が顕著であり、２）はロータ間隔が小さいほど顕著であり、３）はロータ間隔の影響は小さい。

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