شماره مدرك
21231
شماره راهنما
18182
پديد آورنده
ملك پور شلمزاري، عليرضا
عنوان
بهينه سازي تركيبي ايرفويل در جريان رينولدز فوق پايين برمبناي طراحي معكوس، مدل جايگزين و الگوريتم ژنتيك در زاويه حمله بهينه به همراه ابداع ايرفويل حفره دار هندسه متغير در زواياي حمله بالا
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1405
صفحه شمار
ده، 107ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
آيروديناميك , جريان با عدد رينولدز فوق پايين , طراحي معكوس , الگوريتم پوسته الاستيك , مدل رگرسيون , الگوريتم ژنتيك , اصلاح هندسيِ خط جرياني , كنترل جدايش جريان , ايرفويلِ حفرهدارِ هندسه متغير
تاريخ ورود اطلاعات
1405/06/17
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
تبديل انرژي
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/06/21
كد ايرانداك
23246257
چكيده فارسي
چكيده
اين پژوهش به بهينهسازي هندسه و بهبود عملكرد ايرفويلها در رژيم جريان با عدد رينولدز فوق پايين (1000) ميپردازد، و به دو بخش كلي: 1- بهينهسازي هندسه ايرفويل در يك زاويه حملۀ خاص (زاويه حملۀ 7 درجه) و 2- بهبود عملكرد ايرفويل در زواياي حملۀ 12 تا 26 درجه به منظور بهبود مانورپذيري ايرفويل، تقسيم ميشود. در بخش اول، به منظور بهينهسازي هندسه در زاويه حملۀ 7 درجه، از طراحي معكوس بهوسيلۀ الگوريتم پوسته الاستيك برمبناي تنش برشي براي ايجاد مجموعۀ داده اوليه و سپس الگوريتم ژنتيك براي انجام فرآيند بهنيهسازي استفاده شد. در بخش دوم، اصلاحات هندسيِ خط جرياني در زواياي حملۀ 12 تا 26 درجه، به منظور كنترل جريانِ ناپايدار و جداشده از روي ايرفويل، انجام شد.
در بخش اول پژوهش، نخست با استفاده از الگوريتم طراحي معكوسِ پوسته الاستيك بر مبناي تنش برشي و ارتقاي آن (آزادي جابجايي عمودي گرههاي ابتدايي و انتهايي تير) براي ايجاد هندسههاي متفاوت و دلخواه، يك مجموعه دادۀ گسترده از هندسههاي مختلف به همراه ضرايب آيروديناميكي متناظر آنها توليد گرديد. استفاده از تنش برشي در طراحي معكوس براي اين رژيم جريان، به دليل اينرسي كم و حساسيت پايين پارامتر فشار در اين رژيم جريان بود. پس از توليد مجموعۀ داده، يك مدل جايگزين (مدل رگرسيون تعاملي) جهت نگاشت مستقيم هندسه به ضرايب آيروديناميكي بر روي اين مجموعه داده، آموزش داده شد. پيشبيني ضرايب آيروديناميكي از مشخصههاي هندسي از مزيتِ حساسيت بالا به تغييرات هندسي و درك تاثيرات آن به صورت مستقيم در مقادير آيروديناميكي برخوردار بوده و قادر به تحليل و تفكيك هندسههاي انبوه و متنوع ميباشد. از اين رو، نگاشت مستقيم هندسه به ضرايب آيروديناميكي گزينۀ مطلوبي براي بهينهسازي و كاوش در رژيم جريانهاي ناشناخته است. در مرحلۀ بعد، تركيب اين جمعيت داده و مدل جايگزين در الگوريتم بهينهسازيِ ژنتيك، با دو تابعِ هدفِ افزايش نسبت ضريب ليفت به درگ و كاهش ضريب درگ با ليفت ثابت، به منظور دستيابي به ايرفويلهايي با ضرايب آيروديناميكي بهتر و همچنين اعمال قيد ضخامت براي جلوگيري از نازك شدن بياندازۀ هندسه، مورد استفاده قرار گرفت. بهطور خلاصه، نتايج اين بخش با تابع هدف افزايش نسبت ضريب ليفت به درگ و تابع هدف كاهش ضريب درگ با ليفت ثابت به ترتيب شامل، افزايش 24.83 درصدي و كاهش 6.27 درصدي، ميباشد.
در بخش دوم، عملكرد آيروديناميكي سه ايرفويل (ناكا4404 و دو هندسۀ بهينهشده از بخش اول با دو تابع هدف يادشده) در زواياي حملۀ 12 تا 26 درجه، با ايجاد اصلاحات هندسيِ خط جرياني روي سطح مكشي، بهبود يافت. در اين اصلاح هندسي، هدف محبوس كردن گردابههاي ناشي از جدايش جريان در حفرهاي در پشت ايرفويل و جلوگيري از وقوع جدايش جريان پيش از حفرۀ يادشده ميباشد. اين اصلاح هندسي با كنترل نوسانات ناپايدارِ ناشي از جدايش جريان و بهرهگيري از گردابههاي آن در جهت بهبود ضرايب آيروديناميكي، موجب افزايش ضريب ليفت و كاهش ضريب درگ شد. براي تحقق اين امر و دستيابي به بهترين مقادير آيروديناميكي، در هر زاويۀ حمله اندازۀ حفره و به دنبال آن هندسۀ سطح مكشي به صورت پيوسته تغيير كرد. به همين دليل، در اين پژوهش به اين نوع ايرفويلِ اصلاحشده، نام ايرفويلِ حفرهدارِ هندسه متغير اطلاق ميشود. ميزان بهبود عملكرد آيروديناميكي (نسبت ضريب ليفت به درگ) به صورت ميانگين در تمام زواياي حملۀ 12 تا 26 درجه نسبت به هندسۀ اصلاح نشده تقريبا 40% ميباشد.
چكيده انگليسي
This study investigates the shape optimization and aerodynamic performance enhancement of airfoils operating in an ultra-low Reynolds number flow regime (Re = 1000). The research is divided into two main parts: (1) optimization of the airfoil geometry at a specific angle of attack of 7 degree, and (2) enhancement of airfoil performance over an angle-of-attack range of 12 to 26 degree to improve maneuverability.
In the first part, airfoil shape optimization at an angle of attack of 7 degree was performed using an inverse-design approach based on a shear-stress-driven elastic-shell algorithm to generate the initial dataset, followed by a genetic algorithm to conduct the optimization process. In the second part, streamline-based geometric modifications were applied over the angle-of-attack range of 12 to 26 degree to control the unsteady separated flow over the airfoil.
In the first stage of the study, an extensive dataset containing a wide range of airfoil geometries and their corresponding aerodynamic coefficients was generated using an enhanced shear-stress-based elastic-shell inverse-design algorithm. The enhancement involved allowing the vertical displacement of the beam’s leading and trailing nodes, thereby enabling the generation of diverse and arbitrary geometries. Shear stress was selected as the governing parameter for inverse design because of the low flow inertia and the relatively low sensitivity of the pressure parameter in this flow regime. Following dataset generation, a surrogate model based on an interaction regression formulation was trained to establish a direct mapping between the geometric parameters and the aerodynamic coefficients. Predicting aerodynamic coefficients directly from geometric characteristics provides high sensitivity to geometric variations and enables their effects to be directly reflected in the aerodynamic quantities. Furthermore, this approach facilitates the analysis and differentiation of a large and diverse population of geometries. Therefore, the direct mapping of airfoil geometry to aerodynamic coefficients represents a suitable approach for optimization and exploration in insufficiently understood flow regimes.
Subsequently, the generated dataset and the surrogate model were incorporated into a genetic optimization algorithm. Two objective functions were considered: maximizing the lift-to-drag ratio and minimizing the drag coefficient at a prescribed constant lift coefficient. A thickness constraint was also imposed to prevent excessive thinning of the optimized geometries. The results obtained using the lift-to-drag-ratio maximization objective and the constant-lift drag-minimization objective demonstrated a 24.83% increase in the lift-to-drag ratio and a 6.27% reduction in the drag coefficient, respectively.
In the second part, the aerodynamic performance of three airfoils—namely, the NACA 4404 airfoil and the two optimized geometries obtained from the first part using the aforementioned objective functions—was improved over the angle-of-attack range of 12 to 26 degree by introducing streamline-based geometric modifications on the suction surface.
استاد راهنما
مهدي نيلي احمدآبادي
استاد داور
محسن ثقفيان , علي انصاري