Por Aman Basawanal
Introdução
Uma pergunta que recebemos frequentemente é mais ou menos esta: “Estamos a planear realizar simulações CFD, ainda precisamos de testar os nossos motores e hélices experimentalmente?”
Podemos ser parciais, mas a nossa resposta é sempre sim, e com razão.
Nós próprios realizamos inúmeras simulações CFD, mas reconhecemos que estas não são uma forma de obter respostas definitivas sobre um sistema de propulsão; permitem-nos simplesmente fazer previsões sobre o desempenho de um motor ou hélice.
As simulações são especialmente úteis para prever os efeitos da alteração de variáveis específicas num sistema já bem caracterizado.
Qual é a diferença entre a simulação e a realidade? Depende de muitos fatores, como a escolha dos modelos de turbulência, o tipo e o tamanho da malha, as condições de contorno e os métodos de discretização utilizados.
Neste relatório, quantificámos a diferença entre a simulação e a realidade para uma hélice de UAV de 60”, os resultados estão abaixo.
Resumo do relatório
Este relatório resume os testes e simulações que realizámos para determinar a relação entre os resultados da simulação numérica e os dados experimentais de uma hélice de UAV de 60”.
O software Ansys Fluent foi utilizado para gerar um modelo CFD da nossa hélice de 60”, que foi posteriormente testada experimentalmente com a bancada de ensaio Flight Stand 150.
Descobrimos que, durante os testes entre 1000 e 2000 RPM, a simulação CFD subestimou o impulso em 69%.
As simulações e os testes experimentais foram realizados em paralelo ao longo de várias semanas. A simulação Ansys foi concebida para mimetizar o espaço do laboratório experimental, incluindo a proximidade das paredes, dos obstáculos e o tamanho geral da sala. A bancada de ensaio e o sistema de propulsão também foram modelados com as dimensões exatas das suas contrapartes reais. Cada simulação Ansys demorou, em média, 10 dias a ser concluída utilizando um computador com uma GPU de última geração. Ocasionalmente, a simulação não convergia e os parâmetros tinham de ser ajustados antes de reiniciar a simulação. No total, as doze simulações que concluímos demoraram cerca de 20 semanas a ser executadas. Antes das simulações, a nossa equipa realizou 16 horas de formação com um consultor. Em paralelo, realizámos testes experimentais utilizando a bancada de ensaio Flight Stand 150. Utilizamos uma fonte de alimentação de 60 kW para alimentar a bancada, equipada com um motor TA150 e uma hélice de 60”. Figura 2: Hélice de 60” modelada no Ansys (esquerda) e testada na Flight Stand 150 (direita) bancada de ensaio: Flight Stand 150 (150 kgf / 150 Nm) Motor: TA150 Hélice: 60” de diâmetro ESC: Pulse P40 Fonte de alimentação: Fonte de alimentação de 60 kW da MCB Electronics Software: Software Flight Stand Área de teste: Distância da Flight Stand à parede traseira - 3 m Distância do domínio rotativo à parede superior - 3 m Distância do domínio rotativo às paredes laterais - 2,74 m Software Ansys Fluent - Versão R1 (21.1) Geometria do domínio estático X - 7,06 m (largura) Y - 5,1 m (altura) Z - 15,3 m (comprimento - parede a jusante da hélice até a parede a montante da hélice) Malha Esquema de discretização Modelo de turbulência Figura 3: Curva de impulso vs. RPM dos dados experimentais e CFD Foi desenvolvido um script em Python para encontrar uma relação entre os dados experimentais e os dados CFD utilizando regressão polinomial de mínimos quadrados. Esta relação foi desenvolvida utilizando APENAS os pontos de dados experimentais disponíveis até 1900 RPM. O objetivo desta regressão foi gerar uma função da seguinte forma: Os passos realizados para alcançar este objetivo são os seguintes: As equações e os gráficos gerados para o intervalo de dados em questão são apresentados abaixo: Figura 4: Ajuste de curva de mínimos quadrados dos dados experimentais de impulso Figura 5: Ajuste de curva de mínimos quadrados dos dados CFD de impulso Figura 6: Regressão de mínimos quadrados dos dados experimentais e CFD de impulso Como se pode ver na Figura 6, existe uma relação linear entre os dados experimentais e os dados CFD. O valor de impulso experimental é aproximadamente o dobro do valor de impulso previsto pelo CFD. Esta secção explica como estimar as forças de pressão de uma hélice na estrutura da Flight Stand a partir de dados experimentais a um RPM constante. O processo é realizado para uma hélice de 60 polegadas com 2 pás na Flight Stand 150 e os resultados estão apresentados abaixo. Premissa: Hipoteticamente, se uma hélice perfeitamente equilibrada acoplada à unidade de medição de força (FMU) estivesse a girar livremente na ausência de uma estrutura de bancada, as medições ‘Mx’ & ‘My’ seriam nulas. No entanto, na presença de uma bancada, cada vez que uma pá da hélice passa junto da estrutura, cria-se uma zona de alta pressão entre a pá da hélice e a bancada. Isto faz com que a FMU registe um momento Mx. Este momento pode ser utilizado para estimar a força máxima na bancada devido à interação fluido-estrutura. Na realidade, as hélices não estão perfeitamente equilibradas e uma das pás pode gerar mais impulso do que a outra (numa hélice de duas pás). Isto resultaria numa medição oscilatória de ‘My’ na FMU, sendo o valor máximo atingido quando ambas as pás da hélice estão a 90 graus da bancada (posição horizontal da hélice). Na ausência de uma bancada, este momento apareceria como uma medição ‘Mx’ quando a hélice estiver alinhada verticalmente e como uma medição ‘My’ quando a hélice estiver alinhada horizontalmente. A magnitude deste momento devido a uma hélice desequilibrada permanece constante ao longo de um ciclo, mas muda continuamente de direção. Quando a hélice está alinhada verticalmente com uma pá à frente da bancada, a soma ou diferença, (dependendo de como a hélice está desequilibrada) entre a medição máxima ‘Mx’ e a medição máxima ‘My’ durante um ciclo completo, é o momento resultante gerado puramente devido à interação fluido-estrutura entre a hélice e a bancada. Este é o método utilizado para estimar a força na bancada devido à interação fluido-estrutura. A força na Flight Stand 150 foi estimada utilizando este método com uma hélice de 60 polegadas montada nela e a girar a 1932 RPM. As forças e os momentos em relação aos três eixos foram primeiro calculados utilizando os valores brutos de tensão das células de carga. Após obter estes valores, ‘Mx’ & ‘My’ foram plotados um sobre o outro. Figura 7: Mx e My da hélice na bancada ao longo do tempo Na figura acima, a distância entre as duas linhas tracejadas verdes ‘-.’ indica uma revolução completa da hélice. Os nossos resultados demonstraram que um modelo CFD foi capaz de prever o desempenho de impulso da hélice com uma diferença de 69% em relação aos dados medidos experimentalmente. Uma abordagem ideal para testar a propulsão utiliza tanto simulações CFD como testes experimentais para caracterizar o desempenho do sistema de propulsão. Após a recolha dos dados experimentais, pode estabelecer-se uma relação entre os dados CFD e os dados experimentais, que poderá ser utilizada para prever os valores de impulso e binário para RPM mais elevados, até um determinado valor. Uma vez estabelecida essa relação, esta poderá ser utilizada para prever o desempenho do sistema com ligeiras modificações, como a utilização de uma hélice com um passo diferente ou a operação do sistema a RPM mais elevados. Em geral, o CFD é útil para fazer previsões, mas é sempre aconselhável validar os resultados experimentalmente. Se pretender testar os seus motores e hélices experimentalmente, recomendamos um dos bancadas de ensaio abaixo:Procedimento
Especificações:
Teste experimental:
Modelo CFD:
Resultados
Cálculo da força na bancada a partir dos dados experimentais:
Conclusão