توصيفگر ها :
پروانه , هيدرو-آيروديناميك , مومنتم المان پره , خط برا , الگوريتم ژنتيك
چكيده فارسي :
از مسائل مهم حوزه هيدرو-آيروديناميك مبحث تحليل پروانه‌هاي شناورها و ملخ‌هاي هواپيما است. با تحليل هيدرو-آيروديناميك پروانه‌ها مي‌توان رفتار ديناميكي آن‌ها را پيش‌بيني كرد و در صورت لزوم اصلاحات لازم را در جهت بهبود عملكرد آن‌ها انجام داد. يكي از روش‌هاي تحليل هيدرو-آيروديناميك پروانه‌ها استفاده از نرم‌افزارهاي عددي مي‌باشد. در اين پژوهش با استفاده از تئوري‌هاي موجود هيدرو-آيروديناميك، برنامه‌اي طراحي شده است كه مي‌تواند پروانه‌هاي شناورها و ملخ‌هاي هواپيما را در زمان كوتاهي تحليل كند. برنامه طراحي شده در اين پژوهش از دو روش مومنتم المان پره و خط برا جهت تحليل مسائل استفاده مي‌كند. روش مومنتم المان پره با استفاده از قوانين بقا براي يك حجم كنترل حول پروانه، تعادل سرعت و نيرو در مقاطع مختلف پروانه مسئله را تحليل مي‌كند و روش خط برا با جايگزين كردن پره‌هاي پروانه با مجموعه‌اي از گردابه‌ها به حل مسئله مي‌پردازد. در پژوهش حاضر براي افزايش دقت برنامه از تصحيحاتي نظير اعمال افت پره و تصحيح ضريب ليفت براي جريان‌هاي سه‌بعدي براي روش مومنتم المان پره استفاده شده است. همچنين در اين پژوهش بر اساس نتايج تجربي رابطه‌اي براي ضريب سرعت محوري ارائه شده است كه سبب افزايش دقت در نتايج بخصوص افزايش دقت در محاسبه ضريب تراست پروانه مي‌شود. براي استفاده از اين روش‌ها نياز به ضريب ليفت و ضريب درگ در زواياي حمله مختلف در مقاطع مختلف پره مي‌باشد. ضرايب ليفت و درگ در زاويه‌هاي حمله‌ي محدود توسط نرم افزار تجاري Xfoil محاسبه شده و به برنامه طراحي شده در اين پژوهش منتقل مي‌شود. هنگامي كه براي تحليل پروانه نياز به ضرايب ليفت و درگ در خارج از محدوده‌اي كه توسط برنامه Xfoil محاسبه مي‌شود، مي‌باشد از روش ويترنا براي پيش‌بيني ضرايب ليفت و درگ در تمامي زواياي حمله استفاده شده است. از ديگر قابليت‌هاي برنامه طراحي شده در اين پژوهش بهينه‌سازي پروانه بوسيله الگوريتم ژنتيك است كه مي‌تواند پارامترهاي هندسي پروانه را مورد بهينه‌سازي قرار دهد. همچنين اين برنامه از قابليت تحليل چندتايي بهره مي‌برد. بدين صورت كه اين برنامه هر تعداد پروانه دلخواه را با شرايط تحليل يكسان مورد بررسي قرار مي‌دهد و نتايج را به صورت گروهي جهت مقايسه بين پروانه‌هاي تحليل شده نمايش مي‌دهد. قابليت ديگر برنامه توسعه يافته در اين پژوهش بدست آوردن پارامترهاي هندسي پروانه بر اساس شرايط و نتايج دلخواه است كه اين قابليت سبب كاهش زمان جهت بدست آوردن مشخصات هندسي پروانه بر اساس نتايج دلخواه است. براي صحت سنجي نتايج حاصل از تحليل برنامه، هر روش با داده‌هاي آزمايشگاهي و نتايج برنامه‌هاي مشابه مقايسه شده است. بدليل همسان‌سازي نوع روش حل براي مقايسه با برنامه‌هاي مشابه، براي روش مومنتم المان پره از برنامه Jblade و براي روش خط برا از برنامه Openprop استفاده شده است. نتايج حاصل از اين مقايسه نشان داد كه نتايج حاصل از روش مومنتم المان پره در برنامه طراحي شده نتايج بهتري را نسبت به برنامه Jblade ارائه مي‌كند ولي داراي اختلاف با نتايج آزمايشگاهي است. عواملي چون استفاده از فرضيات ساده‌كننده روش تحليل، تقربي بودن ضرايب ليفت و درگ محاسبه شده و ناتواني اين روش در محاسبه ضريب سرعت مماسي در اين اختلاف موثر هستند. نتايج حاصل از روش خط برا در اين پژوهش با نتايج آزمايشگاهي و برنامه Openprop داراي اختلاف اندكي است كه ناشي از تقريبي بودن ضرايب ليفت و درگ محاسبه شده است. براي بررسي بيشتر روش‌هاي تحليل، پروانه‌اي ديگر مورد بررسي قرار گرفته است و نتايج هر دو روش با نتايج برنامه Ansys CFX مقايسه شده است. در انتهاي پژوهش براي پروانه‌اي كه در قسمت قبل مورد بررسي قرار گرفته است با استفاده از روش الگوريتم ژنتيك مدل بهينه‌اي ارائه مي‌شود.
چكيده انگليسي :
One of the important issues in the field of hydro-aerodynamics is the analysis of propellers used in ships and aircrafts. By analyzing the hydro-aerodynamics of the propellers, their dynamic behavior can be predicted and, if necessary, the necessary corrections can be made to improve their performance. One of the methods of hydro-aerodynamic analysis of propellers is the use of numerical software. In this research, using the existing theories of hydro-aerodynamics, a program has been designed that can analyze the propellers of aircraft and ships in a short period of time. The program developed in this research uses blade element momentum and lifting line methods. The blade element momentum theory analyzes the velocity and force balance at different propeller sections, while, the lifting line theory solves the problem by replacing the propeller blades with a set of vortices. In the present study, to increase the accuracy of the results, corrections such as applying blade loss and lift coefficient correction for three-dimensional flows have been used for the blade element moment theory. Also, in this research, based on the experimental results, a relation for the axial velocity coefficient is presented, which increases the accuracy of the results, especially the accuracy in calculating the propeller thrust coefficient. To use these methods, the lift and drag coefficients are required at different attack angles and at different blade sections. Lift and drag coefficients at limited attack angles are calculated by Xfoil commercial software and transferred to the program designed in this research. When lift and drag coefficients are required outside the range calculated by the Xfoil program, the Viterna method is used to estimate these coefficients at all angles of attack. Another feature of the program designed in this research is propeller optimization by genetic algorithm that can optimize the geometric parameters of the propeller. This program also benefits from multiple analysis capabilities. In this way, this program examines any number of arbitrary propellers with the same analysis conditions and displays the results in groups for comparison between the analyzed propellers. To validate the output results of the developed software, each method was compared with experimental data and the results of available commercial software. Due to the similarity of the type of solution method for comparison with similar programs, the Jblade program was used for the blade element momentum method and the Openprop program was used for the lifting line method. The results of this comparison showed that the results of the blade element momentum method in the designed program provide better results than the Jblade program, when compared with the experimental results. Parameters such as the use of simplifying assumptions of the analysis method and inaccuracies in lift and drag coefficients are the main source of the difference between the experimental and numerical results. To further test the analysis methods, another propeller was examined and the results of both methods were compared with the results of the Ansys CFX program. At the end of the research, an optimal model is presented for the propeller that has been studied in the previous section using the method of genetic algorithm.
