UAVの空力設計 — 実践ガイドとベストプラクティス

固定翼UAVの翼設計を例に:

1. 要求仕様定義: 巡航速度、航続距離、ペイロード

2. 翼型選定: XFOILで$Re$に適した翼型をスクリーニング（Selig S1223, Eppler E387等）

3. 翼平面形状設計: アスペクト比、テーパー比、ねじり下げ

4. 3D RANS解析: $\gamma$-$Re_\theta$遷移モデルで$C_L$-$\alpha$、$C_D$-$C_L$を取得

5. プロペラ-機体連成: 仮想ディスクモデルで推力影響を評価

6. 安定性解析: ピッチ・ヨーの静安定微係数を算出

7. 風洞/飛行試験検証: $C_L$/$C_D$を実測と比較

層流剥離バブルの解像が鍵だ。

• $y^+ < 1$: 必須。壁面せん断応力の精度が遷移予測に直結
• プリズム層: 30--40層（層流→遷移→乱流の発達を解像）
• 翼弦方向: 300--500点（バブル領域に集中配置）
• 翼上面のバブル予想位置: セルサイズを翼弦の0.1%以下に
• 成長率: 1.05--1.1（低Re域では緩やかな成長率が推奨）

低Re域では遷移点の位置が翼弦の1%変わるだけで空力特性が大きく変化する。メッシュの粗さが遷移位置の誤差に直結するから、通常の高Re解析よりもメッシュ品質への要求が厳しいんだ。

• Ncrit（遷移のN factor）: 風洞なら9、屋外飛行なら5--7に設定
• パネル数: 200--300点（デフォルト160では不十分な場合あり）
• 収束しない場合: 迎角の増分を0.5度→0.25度に細かく
• Re数の影響: $Re = 5 \times 10^4$以下ではXFOILの精度が低下するため、CFD/LESで検証

XFOILは2D翼型の迅速な評価に最適だが、3D効果（翼端渦、プロペラ干渉）やRe < $5 \times 10^4$の超低Re域ではCFDが必要だ。設計の段階に応じて使い分けるのが効率的だよ。