بررسي عددي و بهينه‌سازي اسپينر ملخ هواپيماي هول‌دهنده در پهپادها

Numerical Study and Optimization of the Pusher Propeller Spinner in Unmanned Aerial Vehicles

نيروي پيشران در وسايل پرنده بدون سرنشين معمولاً توسط ملخ‌ها تأمين مي‌شود. يك پرنده بدون سرنشين براي انجام‌ عمليات مختلف نيازمند بيشينه بودن نيروي پيشرانش و درعين‌حال كمينه بودن نيروي پسا است. عملكرد اين وسيله پرنده مي‌تواند تحت تأثير اسپينر ملخ باشد. در صورت تحليل صحيح از شكل آيروديناميكي اسپينر،عملكرد ملخ مي‌تواند بهبود يابد. در اين تحقيق، طراحي آيروديناميكي اسپينر مدنظرقرارگرفته و پارامترهاي هندسي تأثيرگذار بر عملكرد پرنده مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. هدف نهايي، استفاده از اسپينر بهينه‌شده براي هواپيماي بدون سرنشين با ملخ دو پره‌اي است. اين مهم با شناخت و بهينهيابي اجزاي اين دست از پرنده‌ها ميسر مي‌شود. ازاينرو در ابتدا شناخت و بررسي تأثير هندسه اسپينر بر عملكرد آيروديناميكي ملخ هول‌دهندهمورد بررسي قرار گرفت.سپس با شبيه‌سازي عددي بر پايه ديناميك سيالات محاسباتيوجود يا عدم وجود اسپينر مقايسه مي‌شود. شبيه‌سازي عددي انجام‌شده در حالت گذرا و با در نظر گرفتن آشفتگي جريان به‌صورت سه‌بعديانجام‌شده وبه‌منظور اعتبارسنجي حل عددي نيز نتايج حاصله با نتايج منتشرشده مقايسه مي‌شود. انگيزه پژوهش پيش‌رو، بهبودپنج متغير طراحي (شعاع صفحه‌ مبناي اسپينر)، (طول مبناي اسپينر)، (فاصله خالي ميان اسپينر و كويلينگ)، (زاويه شيب مبناي اسپينر) و (زاويه شيب كلاهك اسپينر) اسپينر ملخ هول‌دهنده و ارائه راهكارهايي براي انتخاب اسپينر مناسب توسط روشي كارآمد همچون تاگوچي، بوده است. اين روند به‌گونه‌اي پيگيري شده است تا بازدهي مطلوبي براي ملخ حاصل گردد. در انتها اين تلاش به بهينه‌سازي، طراحي و شبيه‌سازييك اسپينر با عملكرد بالاتر ختم شد. در نتيجه وسيله پرنده‌ با اسپينر پيشنهادشده براي ملخ آن از بازده پيشرانش و نيروي پساي بدنه مناسبي برخوردار مي‌باشد.

The propulsive force in an unmanned aerial vehicle is usually produced by propellers and the UAVs require maximum propulsive force and minimum drag force to perform various operations. The aircraft's performance is influenced by the spinner shape; therefore, accurate analysis of its aerodynamic shape can improve the performance. In this research, the aerodynamic design of the spinner and the geometric parameters effective on the UAV performance are mentioned. The ultimate goal is to use an optimized spinner for dual-propeller UAVs. Initially, the effect of spinner geometry on the aerodynamic features of the pusher propeller is investigated. Then, a numerical simulation based on computational fluid dynamics is done and the outcomes for both the presence and the absence of spinner are compared. In the numerical simulations, the flow field is considered as three-dimensional, unsteady and turbulent, and these results are compared with the published data for verification of the numerical procedure. The research's motivation is to improve five design variables in the design of pusher propeller spinner namely, (the radius of reference plane), (the reference length), (the gap between the spinner and cowling), (the reference slope angle), and (the slope angle of spinner cap) and to provide solutions to select the appropriate spinner by an efficient method such as the Taguchi method. This process is followed in such a way as to achieve the desired propeller performance as an objective function. Eventually, the optimum spinner which achieves improved performance, increased propeller propulsion efficiency and declined fuselage drag force is obtained.