شبیه سازی عددی و بررسی عملکرد آیرودینامیکی پره های الهام گرفته شده از بال حشرات

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشکدگان علوم و فناوری میان رشته ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی هوافضا، دانشکدگان علوم و فناوری میان رشته ای، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

یکی از روش‌های قابل استفاده در بهبود عملکرد آیرودینامیکی پره‌های پرنده‌های بدون سرنشین کوچک، الهام از بال گونه‌های متفاوت از جانوران مانند پرندگان و حشرات است. پژوهش حاضر به بررسی عملکرد آیرودینامیکی پره‌های الهام گرفته شده از بال حشرات می‌‌پردازد و تاثیرات شکل پره‌‌ها بر نیروی پیشران، گشتاور و بازدهی پره‌ها مورد مطالعه قرار گرفته است. در این پژوهش از شکل بال چهار گونه حشرات شامل همیپترا، اورتوپترا و نئوروپترا الهام گرفته شده است. شبیه‌سازی عددی با استفاده از تکنیک قاب مرجع متحرک ( Multiple Reference Frame ) و مدل‌سازی آشفتگی k-ω SST در شرایط هاور و در بازه‌ی سرعت دورانی 4000 تا 8000 دور بر دقیقه برای پره با قطر 24/0 متر و ایرفویل Eppler E63 تعریف شده است. اعتبار سنجی نتایج شبیه‌سازی عددی با استفاده از نتایج تجربی بر روی پره DJI Phantom 3 انجام شده است و نتایج با دقت قابل قبولی با نتایج دیگران ارزیابی شده است. نتایج نشان می‌دهد که پره‌های الهام گرفته شده، دارای نیروی پیشران بیشتر و در یک نیروی ثابت، پره‌های الهام گرفته شده دارای سرعت دورانی کمتری هستند. پره نئوروپنرا با در نظر گرفتن معیار بازدهی پره، با 74/6 درصد بهبود نسبت به پره DJI Phantom 3 دارای بهترین عملکرد است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Mohamed, N., Al-Jaroodi, J., Jawhar, I., Idries, A., & Mohammed, F. (2018). Unmanned aerial vehicles applications in future smart cities. Technological Forecasting and Social Change, 119293. https://doi.org/10.1016/j.techfore.2018.05.004
[2] Azwan Sapit, Mohamad Faiz Masjan, & Saad Kariem Shater. (2021). Aerodynamics Drone Propeller Analysis by using Computational Fluid Dynamics. J. Complex Flow, 3(2), 12–16.
[3] R Deters, R. W., Ananda Krishnan, G. K., & Selig, M. S. (2014). Reynolds Number Effects on the Performance of Small-Scale Propellers. 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference. https://doi.org/10.2514/6.2014-2151
[4] Ramasamy, M., Johnson, B., & Leishman, J. G. (2008). Understanding the Aerodynamic Efficiency of a Hovering Micro-Rotor. J. American Helicopter Society, 53(4), 412. https://doi.org/10.4050/jahs.53.412.
[5] Yilmaz, E., & Hu, J. (2018). CFD Study of Quadcopter Aerodynamics at Static Thrust Conditions (pp. 27–28).
[6] Hassanalian, M., Radmanesh, M., & Sedaghat, A. (2014). Increasing Flight Endurance of MAVs using Multiple Quantum Well Solar Cells. Int. J. Aeronautical and Space Sciences, 15(2), 212–217. https://doi.org/10.5139/ijass.2014.15.2.212
[7] Joachim Schömann. (2014). Hybrid-Electric Propulsion Systems for Small Unmanned Aircraft.
[8] Brandt, J., & Selig, M. (2011). Propeller Performance Data at Low Reynolds Numbers. 49th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition. https://doi.org/10.2514/6.2011-1255
[9] Gomez, S., Gilkey, L. N., Kaiser, B., & Poroseva, S. V. (2014, June 16). Computational Analysis of a Tip Vortex Structure Shed from a Bio-inspired Blade. Presented at the 32nd AIAA Applied Aerodynamics Conference, Atlanta, GA. https://doi.org/10.2514/6.2014-3253
[10]  رضواندوست، مصطفی، پیرکندی، جاماسب، محمودی، مصطفی، و میرزاپور، داریوش. (1393). تحلیل عددی عملکرد استاتیکی یک ملخ نمونه و مقایسه آن با نتایج تجربی و تئوری. کنفرانس بین المللی انجمن هوا فضای ایران. SID. https://sid.ir/paper/887835/fa
 
[11] Ning, Z., & Hu, H. (2017). An Experimental Study on the Aerodynamic and Aeroacoustic Performances of a Bio-Inspired UAV Propeller. 35th AIAA Applied Aerodynamics Conference. https://doi.org/10.2514/6.2017-3747
[12] Deters, R. W., Kleinke, S., & Selig, M. S. (2017). Static Testing of Propulsion Elements for Small Multirotor Unmanned Aerial Vehicles. 35th AIAA Applied Aerodynamics Conference. https://doi.org/10.2514/6.2017-3743
[13] Hintz, C., Khanbolouki, P., Perez, A. M., Tehrani, M., & Poroseva, S. (2018). Experimental study of the effects of bio-inspired blades and 3D printing on the performance of a small propeller. 2018 Applied Aerodynamics Conference. https://doi.org/10.2514/6.2018-3645
[14] Shamsudin, S. S., & Madzni, M. Z. (2021). Aerodynamic Analysis of Quadrotor UAV Propeller Using Computational Fluid Dynamic. J. Complex Flow , 3(2), 28–32.
[15] Moslem, F., Masdari, M., Fedir, K., & Moslem, B. (2022). Experimental investigation into the aerodynamic and aeroacoustic performance of bioinspired smallscale propeller planforms. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: J. Aerospace Eng., 237, 095441002210913. https://doi.org/10.1177/09544100221091322
[16] Mozafari, M., & Masdari, M. (2023). Owl Aeroacoustics: Analysis of a Silent Flight. J40, 39.3(1), 99–118. https://doi.org/10.24200/j40.2022.60494.1643
 [17] Kutty, H., & Rajendran, P. (2017). 3D CFD Simulation and Experimental Validation of Small APC Slow Flyer Propeller Blade. Aerospace, 4(1), 10. https://doi.org/10.3390/aerospace4010010
[18] DJI Team, “phantom-3-standard,” DJI. https://www.dji.com (accessed 2021).
[19] “Phantom 3 Standard - User Manual V 1.4,” Sep. 01, 2015.
[20] Ábrahám, L. (2020). A new Creoleon sp. n. (Neuroptera: Myrmeleontidae) from Socotra (Yemen). Natura Somogyiensis, 35, 37–44. https://doi.org/10.24394/natsom.2020.35.37
[21] Hectonichus, Pyrgomorphidae - Phymateus karschi. [Is licensed under CC BY-SA 3.0]. Available:https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/?ref=openverse
[22] Constant, J., & Pham, T. (2017). Review of the clavatus group of the lanternfly genus Pyrops (Hemiptera: Fulgoromorpha: Fulgoridae). European J. Taxonomy, 305, 1–26. https://doi.org/10.5852/ejt.2017.305
[23] Zhou, W., Ning, Z., Li, H., & Hu, H. (2017). An Experimental Investigation on Rotor-to-Rotor Interactions of Small UAV Propellers. 35th AIAA Applied Aerodynamics Conference. https://doi.org/10.2514/6.2017-3744
[24] Ansys® Fluent, Release 2021 R1, Help System, Ansys Fluent Theory Guide, ANSYS, Inc.
 
[25] GarofanoSoldado, A., SanchezCuevas, P. J., Heredia, G., & Ollero, A. (2022). Numericalexperimental evaluation and modelling of aerodynamic ground effect for smallscale tilted propellers at low Reynolds numbers. Aerospace Science and Technology, 126, 107625. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107625
[26] Han, H., Xiang, C., Xu, B., & Yu, Y. (2019). Aerodynamic performance and analysis of a hovering micro-scale shrouded rotor in confined environment. Advances in Mechanical Engineering, 11(4), 168781401882332. https://doi.org/10.1177/1687814018823327
[27] Chevula, S., Chillamcharal, S., & Maddula, S. P. (2021). A Computational Design Analysis of UAV’s Rotor Blade in Low-Temperature Conditions for the Defence Applications. Int. J. Aerospace Eng., 2021, e8843453. https://doi.org/10.1155/2021/8843453
[28] Lopez, O. R., Escobar, J., & Andrés Pociña Pérez. (2017). Computational Study of the Wake of a Quadcopter Propeller in Hover. https://doi.org/10.2514/6.2017-3961
[29] John David Anderson. (1995). Computational Fluid Dynamics. International Marine.
[30] Bengt Andersson. (2012). Computational fluid dynamics for engineers. Cambridge ; New York: Cambridge University Press.
[31] Schetz, J. A., & Bowersox, R. D. W. (2012). Boundary layer analysis (pp. 240–241). Reston, Va. American Institute Of Aeronautics And Astronautics.
[32] Li, Y., Yonezawa, K., Xu, R., & Liu, H. (2021). A Biomimetic Rotor-configuration Design for Optimal Aerodynamic Performance in Quadrotor Drone. J. Bionic Eng., 18(4), 824–839. https://doi.org/10.1007/s42235-021-0069-0
 [33] Wilcox, D. (2008). Formulation of the kω Turbulence Model Revisited. Aiaa JAIAA J, 46, 2823–2838. https://doi.org/10.2514/1.36541
 [34] Menter, F. (1993). Zonal Two Equation k-w Turbulence Models For Aerodynamic Flows. 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics, and Lasers Conference. https://doi.org/10.2514/6.1993-2906
[35] Gudmundsson, S. (2014). The Anatomy of the Propeller. In General Aviation Aircraft Design (pp. 581–659). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-397308-5.00014-3