ใบพัด ลำตัว และสิ่งบรรทุก: เมื่อชิ้นส่วนบังลมกัน

กล่องใต้โดรนเพิ่มมากกว่าน้ำหนักหรือไม่

เมื่อเพิ่มกล่องลำเลียง เรารู้ทันทีว่ามีน้ำหนักเพิ่ม แต่ยังไม่รู้ว่ากล่องเปลี่ยนกระแสลมใต้ใบพัดเท่าใด ลมใบพัดอาจชนลำตัว แขน หรือกล่อง ทำให้เกิดแรงบนชิ้นส่วนเหล่านั้น งานของ NASA ที่จำลองโดรนสี่ใบพัด พบปฏิสัมพันธ์ของใบพัดกับใบพัดและลำตัว และงานเปรียบเทียบจานแรงกับการจำลองผิวใบพัด อธิบายว่าระดับแบบจำลองที่ประหยัดกว่ามีข้อจำกัดต่อ wake สามมิติ ข้อค้นพบเหล่านี้เป็นเหตุผลให้ ตรวจตำแหน่งสิ่งบรรทุก ไม่ใช่ค่าประสิทธิภาพที่ย้ายมาใช้กับกล่องทุกแบบ

จบบทนี้ คุณจะแยกสามอย่างได้: น้ำหนักกล่อง, แรงจากอากาศบนกล่อง และ การเปลี่ยนแรงของใบพัดเมื่อติดกล่อง ภาพใต้ชื่อบทแสดงการตรวจระยะบนโต๊ะทดลองของไทย เป็นภาพแนวคิด ไม่ใช่ภาพการวัดหรือ CFD

สามแรงที่ไม่ควรรวมเป็นก้อนเดียว

น้ำหนักเพิ่ม คำนวณก่อนด้วย W = mg โดย m เป็นมวล (kg) และ g ใช้ค่าตัวอย่าง 9.81 m/s² หากกล่องมวล 0.30 kg จะเพิ่มน้ำหนัก 2.943 N ค่านี้รู้ได้โดยยังไม่ต้องแก้สมการการไหล แต่ไม่บอกแรงขับที่ใบพัดจะสูญเสียหรือเพิ่มเพราะลมชนกล่อง

แรงอากาศบนกล่อง ต้องดูความดันและแรงเฉือนบนผิวกล่อง ในการคำนวณ CFD เขียนเป็น F_{กล่อง} = ∫_{ผิวกล่อง}(−p n + τ·n)dA โดยกำหนดทิศแกนและนิยามเวกเตอร์ผิวให้ชัด หากกล่องอยู่ใต้ใบพัดในกระแสลมลง แรงตามแนวดิ่งบนกล่องอาจต่างจากแรงต้านขณะโดรนบินเดินหน้า

แรงที่ใบพัดเปลี่ยน หาโดยเทียบกรณีมีและไม่มีกล่องที่รอบหมุนและเงื่อนไขเดียวกัน: ΔT = T_{มีกล่อง} − T_{ไม่มีกล่อง} ค่านี้เป็นผลต่างของแบบจำลองหรือการวัด ไม่สามารถคำนวณจากมวลกล่องอย่างเดียว ต้องระบุด้วยว่ากำลังเทียบที่รอบคงที่ กำลังคงที่ หรือแรงขับคงที่ เพราะได้คำตอบคนละแบบ

เลือกแบบจำลองให้ตรงคำถาม

แบบ จานแรงขับ เหมาะเริ่มดูทิศทาง wake และเปรียบเทียบตำแหน่งกล่องอย่างคร่าว ๆ แต่ไม่เห็นรายละเอียดแรงบนใบพัดแต่ละใบ แบบ จำลองผิวใบพัด อาจเห็นปฏิสัมพันธ์ละเอียดขึ้นแต่ต้องใช้กริด เวลา และข้อมูลรูปทรงมากขึ้น NASA เปรียบเทียบสองระดับ ในอากาศยานแบบ tiltwing และรายงานข้อจำกัดของจานแรงในบางสภาพบิน ผลนั้นเป็นหลักการเลือกวิธี ไม่ใช่การรับรองแบบจำลองสำหรับโดรนและกล่องของเรา

สำหรับการฝึกบนคอมพิวเตอร์ ให้สร้างตารางสามกรณี: ไม่มีกล่อง, กล่องชิดลำ, กล่องต่ำลง โดย ตรึงรูปทรงใบพัด รอบหมุน อากาศ และกรอบคำนวณ บันทึก T รวม แรงบนกล่อง แรงบนลำ และแรงบิด พร้อมตรวจว่าผลเปลี่ยนเมื่อเพิ่มความละเอียดกริดหรือไม่ ข้อมูลวัดของ NASA Multirotor Test Bed ช่วยสอนการบันทึกค่าตั้งต้นและแรงแยกตามโรเตอร์ แต่ชุดข้อมูลนั้นไม่ได้วัดกล่องตัวอย่างของเรา จึงใช้เป็นกรณีศึกษาวิธีตรวจ ไม่ใช่ตัวเลขยืนยันกล่องนี้

มีชุด CFD ของกล่องสมมติให้ฝึกเปรียบเทียบด้านล่าง รูปทรงและของไหลออกแบบเพื่อการเรียนรู้ จึงยังไม่ยืนยันระยะติดตั้งที่ปลอดภัยของอุปกรณ์จริง

ห้องทดลอง: ย้ายกล่องโดยคงแหล่งแรงเดิม

ดาวน์โหลดชุดทดลองพร้อม Python และผล OpenFOAM เปิด Terminal ในโฟลเดอร์ที่แตก ZIP แล้วรัน python verify.py เพื่อตรวจชุดผล หรือ python compare.py --output my-comparison เพื่อสร้างตารางเปรียบเทียบใหม่ ใช้ได้บน Windows/Linux ส่วนการรัน solver ใหม่ใช้ Ubuntu 24.04 หรือ Windows ผ่าน WSL ตาม README

แบบฝึกใช้กล่องกว้าง 0.4 × 0.4 m สูง 0.2 m ใต้จานแรงรัศมี 0.2 m ที่ z = 1 m เปรียบเทียบศูนย์กลางกล่อง z = 0.7 และ 0.5 m ภายในช่องลม 2 × 2 × 1.6 m กำหนดลมเข้าจากด้านบนลงด้านล่าง 0.2 m/s และแหล่งแรงลงบนอากาศ 0.02 N เท่ากันทุกกรณี ด้านข้างเป็น symmetry ใช้ ν = 0.01 m²/s ซึ่งเป็นของไหลหนืดสำหรับฝึก ไม่ใช่โดรนลอยนิ่งในอากาศจริง

กราฟซ้ายเป็น Fz บนกล่อง โดย z ชี้ขึ้น ดังนั้นค่าติดลบคือแรงลง กราฟขวาเป็น Uz ณ จุดที่ระบุใน README แกนนอนซ้ายคือ iteration เปิดกราฟขนาดเต็ม

กริดหยาบมี 6,368 เซลล์ กริดละเอียดมี 50,944 เซลล์ ที่กริดละเอียด เมื่อเลื่อนกล่องต่ำลง ผลต่างแรงคือ ΔFz = (−0.033805) − (−0.037992) ≈ +0.004187 N หมายถึงแรงลงบนกล่องลดลงในเงื่อนไขชุดนี้ ไม่ใช่กฎว่าติดกล่องต่ำแล้วดีกว่าเสมอไป

แรงบนกล่องรวมทั้งความดันและความหนืด แต่ ไม่รวมน้ำหนัก mg และไม่ใช่ ΔT ของใบพัด เพราะแหล่งแรงของจานถูกกำหนดไว้เท่าเดิม ค่าแรงกล่องอาจมีขนาดเกิน 0.02 N ได้จากการมีลมขาเข้าร่วมด้วย จึงไม่ควรอ่านว่าโดรนสูญเสียแรงขับมากกว่าที่ผลิต

ลองทำ: เปิด results/payload-v1-r2/forces.csv แถวสุดท้าย รวม pressure_z กับ viscous_z แล้วตรวจว่าได้ Fz_N จากนั้นหาความต่างกับกรณี payload-v2-r2 ควรได้ประมาณ +0.004187 N หากจะรวมกับ mg ต้องทำสมดุลแรงโดยใช้แกนและวัตถุที่พิจารณาเดียวกัน

ทั้งสี่กรณีผ่านเกณฑ์หยุดเชิงตัวเลข แต่สองกริดยังไม่ยืนยันความเป็นอิสระจากกริด การจะตอบเรื่องโดรนจริงต้องเพิ่มลำตัว ใบพัดที่ตอบสนองต่อการไหล ตำแหน่งติดตั้งจริง และการตรวจเทียบผลวัด

ต่อยอดที่ การตรวจและส่งต่อแรงสู่ DroneSim: แยกแรงกล่อง น้ำหนัก และแรง rotor เพื่อไม่บวกแรงซ้ำ พร้อมเครื่องมือเตรียมเทียบผลวัดที่สภาพตรงกัน

แบบฝึกพร้อมแนวคำตอบ

โจทย์: กล่องมวล 0.30 kg เพิ่มแรงน้ำหนักเท่าไร? หากย้ายกล่องต่ำลงโดยมวลเท่าเดิม ผลใดคำนวณได้ทันที และผลใดยังต้องวัดหรือจำลอง?

แนวคำตอบ: น้ำหนักเพิ่ม 2.943 N และยังเท่าเดิมเมื่อย้ายกล่อง แต่แรงอากาศบนกล่องและการเปลี่ยนแรงใบพัดยังไม่ทราบ เพราะทางเดินลมอาจต่างไป ต้องกำหนดจุดยึด ท่าทาง และสภาวะการทำงานก่อนเทียบ

อ่านต่อ: วิธีตรวจผล CFD ก่อนเชื่อค่าแรง · เตรียมข้อมูลแรงเข้าสู่ DroneSim

บรรณานุกรม

• NASA — Multirotor and Airframe Interaction
• NASA — Rotor Disk Versus Blade-Resolved CFD
• NASA — Multirotor Test Bed and Test Data
• NASA — CFD Analysis Process
• OpenCFD — Semi implicit source
• OpenCFD — Forces

ตรวจแหล่งต้นทาง 26 กันยายน 2569