Estimation of aerodynamic loads of a propeller through improved blade element and momentum theory and propeller design optimization

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.