Estimation of aerodynamic loads of a propeller through improved blade element and momentum theory and propeller design optimization
Bir pervanenin aerodinamik yüklerin geliştirilmiş pala elemanı ve momentum teorisi yoluyla tahmini ve pervane tasarım optimizasyonu
- Tez No: 937939
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TÜRKER KUTAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 128
Özet
Bu çalışma, Pala Elemanı ve Momentum Teorisi aracılığıyla tüm uçuş koşullarında pervaneye etki eden toplam kuvvet ve momentlerin doğru tahminine ve bir İnsansız Hava Aracı (İHA) pervanesinin tasarım optimizasyonuna odaklanmaktadır. Askıda kalma, dikey tırmanma ve ileri uçuş gibi çeşitli uçuş koşulları altında, pervane, farklı serbest akış hızlarında, pervane disk hücum açılarında ve pervanenin açısal hızlarında farklı aerodinamik yükler üretir. Bu nedenle, bu farklı uçuş koşulları altında pervane tarafından oluşturulan tüm kuvvetleri ve momentleri tahmin eden bir matematiksel modele sahip olmak önemlidir. Farklı uçuş koşullarında pervane aerodinamik yükleri deneysel olarak (örneğin, rüzgar tüneli veya gerçek uçuş testleri) veya hesaplamalı (örneğin, Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (HAD) yöntemleri) olarak bulunabilir, ancak bu yöntemler zaman alıcıdır. Ayrıca, deneysel yöntemler optimizasyon çalışmaları için karşılanabilir değildir. Pervane aerodinamik yüklerinin model tabanlı hesaplarından elde edilen matematiksel model, HAD ve deneysel yöntemlere göre daha kullanışlıdır. Bununla birlikte, klasik Pala Elemanı Teorisindeki bazı varsayımlar ve endüvi hızın sabit varsayılması, model tabanlı yaklaşımlarda pervane kuvvetlerinin ve momentlerinin yanlış tahmin edilmesine neden olur. Öte yandan, bu çalışmada önerilen iyileştirilmiş BEMT (IBEMT) modeli, insansız hava aracı uygulamaları için havada asılı kalma koşulundan ileri uçuşa kadar geniş uçuş rejimlerinde pervane performansını tahmin edebilir. Hızlı optimizasyon çalışmalarında hesaplama açısından verimlidir. Endüvi hız, rotor diskinin her bir halkasında iteratif olarak hesaplanır. Pervanenin her kanat kesitinde ve azimut açısında aerodinamik yüklerinin hesaplanmasında Euler entegrasyonu kullanılmıştır. Geliştirilen model rüzgar tüneli deneyleri ile doğrulanmış ve kullanılan pervanenin geometrik özelliklerinin detaylı olarak bilinen başka bir çalışmanın deney datası ve HAD sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, bu çalışmada, MATLAB® Optimization Tool-Box ve IBEMT modeli kullanılarak bir pervanenin tasarım optimizasyonu da gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
This study focuses on accurate prediction of total forces and moments acting on a propeller in all flight conditions through Blade Element and Momentum Theory (BEMT) and design optimization of a UAV propeller. Under various flight conditions such as hover, vertical climb, and forward flight, propeller generates different aerodynamic loads in different free-stream velocities, propeller disk angles of attack, and propeller's angular speeds. For this reason, it is important to have a mathematical model that predicts all forces and moments generated by the propeller under these different flight conditions. Propeller aerodynamic loads at different flight conditions can also be found experimentally (e.g., wind tunnel or real-flight tests) or computationally (i.e., Computational Fluid Mechanics (CFD) methods) but these methods are time-consuming. As well, experimental methods are not affordable for optimization studies. The mathematical model obtained from model-based calculations of propeller aerodynamic loads is more useful compared to CFD and experimental methods. However, some assumptions in classical Blade Element Theory and assuming the induced veloctiy constant cause inaccurate prediction of the propeller's forces and moments in model-based approaches. On the other hand, the Improved BEMT (IBEMT) model proposed in this study can estimate the propeller performance in wide flight regimes from hover to forward flight for unmanned aircraft applications. It is computationally efficient in fast optimization studies. Induced velocity is calculated iteratively at each annulus of the rotor disc. Euler integration is used in the calculation of the propeller's aerodynamic loads at each blade section and azimuth angle. The improved model is validated with wind tunnel experiments and it is compared with the results of experimental data of another study and CFD result for which the geometric properties of the propeller used and operating conditions are known in detail. Besides, in this study, design optimization of a propeller is also conducted using MATLAB® Optimization Tool-Box and the IBEMT model.
Benzer Tezler
- Optimization of design and control parameters for an electrically-propelled aerial vehicle using the energy approach
Elektriksel tahrikli bir hava aracının enerji yaklaşımıyla tasarım ve kontrol parametreleri optimizasyonu
İBRAHİM ÇİÇEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Ballistically launchable shape shifting 3D printed multi-rotor unmanned aerial vehicle design and foldable arms analysis
Balistik olarak fırlatılabilir şekil değiştiren 3B baskılı çok rotorlu insansız hava aracı tasarımı ve katlanabilir kolların analizi
MEHMET ZEKİ PAŞAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ
- Aerodynamic and structural design and analysis of an electric powered mini UAV
Elektrikli bir mini İHA'nın aerodinamik ve yapısal tasarımı ve analizi
ALPAY DEMİRCAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTAN KAYRAN
- İki serbestlik dereceli helikopter için Kalman filtresi tabanlı durum/model parametre tahmini ve dayanıklı denetleyici tasarımı
Kalman filter based state/model parameter estimation and robust controller design for two degree of freedom helicopter
İBRAHİM MUCUK
Doktora
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYHAN ÖZDEMİR