Bu çalışmayı Aman Basawanal yaptı.
Giriş
Sıkça aldığımız sorulardan biri şöyledir: “CFD simülasyonları yapmayı planlıyoruz, motorlarımızı ve pervanelerimizi hala deneysel olarak test etmemiz gerekiyor mu?”
Taraflı olabileceğimizi kabul etmekle birlikte, cevabımız her zaman evettir ve bunun haklı bir nedeni vardır.
Biz de kendi çalışmalarımızda pek çok CFD simülasyonu gerçekleştiriyoruz, ancak bunların bir itki sistemi hakkında kesin yanıtlar elde etmenin bir yolu olmadığını, yalnızca bir motorun veya pervanenin nasıl performans gösterebileceğine dair tahminler yapmamıza olanak tanıdığını kabul ediyoruz.
Simülasyonlar, özellikle iyi tanımlanmış bir sistemde belirli değişkenlerin değiştirilmesinin etkilerini tahmin etmek için yararlıdır.
Simülasyon ile gerçeklik arasındaki fark ne kadardır? Bu durum birçok faktöre bağlıdır, türbülans modellerinin, ağ tipinin ve ağ boyutlandırmasının, kullanılan sınır koşullarının ve ayrıklaştırma yöntemlerinin seçimi gibi
Bu raporda, 60” İHA pervanesi için simülasyon ile gerçeklik arasındaki farkı nicelleştirdik; sonuçlar aşağıdadır.
Rapor Özeti
Bu rapor, 60" İHA pervanesi için sayısal simülasyon sonuçları ile deneysel veriler arasındaki ilişkiyi belirlemek üzere tamamladığımız test ve simülasyonları özetlemektedir.
60” pervanemizin CFD modelini oluşturmak için Ansys Fluent yazılımı kullanılmış, ardından bu model Flight Stand 150 itki test standı ile deneysel olarak test edilmiştir.
1000 - 2000 RPM arasındaki testlerde, CFD simülasyonunun itkiyi %69 oranında düşük tahmin ettiğini tespit ettik.
Yöntem
Simülasyonlar ve deneysel testler birkaç hafta boyunca paralel olarak yürütülmüştür.
Ansys simülasyonu, duvarların yakınlığı, engeller ve odanın genel boyutu dahil olmak üzere deneysel laboratuvar alanını taklit edecek şekilde tasarlanmıştır. itki test standı ve itki sistemi de gerçek muadillerinin tam boyutlarına göre modellenmiştir.
En yeni nesil GPU'ya sahip bir bilgisayar kullanılarak her bir Ansys simülasyonunun tamamlanması ortalama 10 gün sürmüştür. Bazen simülasyon yakınsamamış ve simülasyonu yeniden başlatmadan önce parametrelerin ayarlanması gerekmiştir. Toplamda, tamamladığımız bir düzine simülasyonun çalıştırılması yaklaşık 20 hafta sürmüştür. Simülasyonlardan önce ekibimiz bir danışmanla 16 saatlik eğitim tamamlamıştır.
Flight Stand 150 itki test standı kullanılarak paralel olarak deneysel testler yürütülmüştür. Standı beslemek için 60 kW'lık bir güç kaynağı kullanılmış, standa TA150 motor ve 60” pervane monte edilmiştir.
Şekil 2: Ansys'te modellenen (sol) ve Flight Stand 150'de test edilen 60” pervane
Özellikler:
Deneysel Test:
İtki Standı: Flight Stand 150 (150 kgf / 150 Nm)
Motor: TA150
Pervane: 60” çap
ESC: Pulse P40
Güç Kaynağı: 60 kW MCB Electronics güç kaynağı
Yazılım: Flight Stand yazılımı
Test alanı:
Flight Stand ile arka duvar arasındaki mesafe - 3 m
Dönen alan ile üst duvar arasındaki mesafe - 3 m
Dönen alan ile yan duvarlar arasındaki mesafe - 2,74 m
CFD Modeli:
Yazılım
Ansys Fluent - Sürüm R1 (21.1)
Statik Alanın Geometrisi
X - 7,06 m (genişlik)
Y - 5,1 m (yükseklik)
Z - 15,3 m (pervanenin akış yönündeki duvarı ile akış yönündeki duvar arasındaki mesafe)
Ağ
- Yapılandırılmamış çokgen ağ elemanları
- Toplam eleman sayısı - 3.181.422
- Pervane sınırında 6 şişirme katmanı - ilk katman 1,5 mm, büyüme oranı 1,2 (sınır tabakası çözümlenmemiştir)
Ayrıklaştırma Şeması
- Tüm terimler - 2. derece ileriye dönük ayrıklaştırma
Türbülans Modeli
- K-omega SST (kararlı durum)
Sonuçlar
Şekil 3: Deneysel ve CFD Verilerinin İtki ve Devir Sayısı Eğrisi
Deneysel veriler ile CFD verileri arasında en küçük kareler polinom regresyonu kullanarak bir ilişki bulmak için bir Python betiği geliştirilmiştir. Bu ilişki, YALNIZCA1900 RPM'ye kadar mevcut olan deneysel veri noktaları kullanılarak oluşturulmuştur. Bu regresyonun amacı aşağıdaki gibi bir fonksiyon üretmekti:
Bunu başarmak için atılan adımlar şöyledir:
- Deneysel ve CFD verilerini ilgili RPM değerleriyle birlikte ayrı dizilerde saklayın.
- Hem deneysel veri serisine hem de CFD veri serisine ikinci derece bir polinom uydurun.
- Hem deneysel veri serisi hem de CFD veri serisi için eşit aralıklı veri noktaları üretmek üzere uydurulan polinomların denklemlerini kullanın.
- Eşit aralıklı CFD veri noktalarını yeni bir ‘X dizisi’nde, eşit aralıklı deneysel verileri ise yeni bir ‘Y dizisi’nde saklayın.
- Bu yeni dizileri kullanarak python'daki np.polyfit() fonksiyonu aracılığıyla ‘X dizisi’ ile ‘Y dizisi’ arasında bir polinom fonksiyonu uydurun.
İlgili veri aralığı için üretilen denklemler ve grafikler aşağıda sunulmuştur:
Şekil 4: Deneysel itki verilerinin en küçük kareler eğri uydurması
Şekil 5: CFD itki verilerinin en küçük kareler eğri uydurması
Şekil 6: Deneysel ve CFD itki verilerinin en küçük kareler regresyonu
Şekil 6'da görüldüğü gibi, deneysel veriler ile CFD verileri arasında doğrusal bir ilişki vardır. Deneysel itki değeri, CFD tarafından tahmin edilen itki değerinin yaklaşık iki katıdır.
Deneysel Verilerden Stand Kuvveti Hesaplaması:
Bu bölüm, sabit bir RPM'de pervaneden kaynaklanan basınç kuvvetlerinin Flight Stand yapısı üzerindeki etkisini deneysel verilerden nasıl tahmin edileceğini açıklamaktadır. Bu işlem Flight Stand 150 üzerindeki 2 kanatlı 60 inçlik bir pervane için uygulanmış ve sonuçlar aşağıda sunulmuştur.
Varsayım:
Varsayalım ki kuvvet ölçüm ünitesine (FMU) bağlı mükemmel şekilde dengelenmiş bir pervane, herhangi bir stand yapısı olmadan serbestçe dönüyorsa, ‘Mx’ ve ‘My’ ölçümleri sıfır olacaktır. Ancak bir stand mevcut olduğunda, her pervane kanadı yapıdan geçerken pervane kanadı ile stand arasında yüksek basınçlu bir bölge oluşur. Bu durum FMU'nun bir Mx momenti kaydetmesine neden olur. Bu moment, akışkan-yapı etkileşimi nedeniyle stand üzerindeki maksimum kuvveti tahmin etmek için kullanılabilir.
Gerçekte pervaneler mükemmel şekilde dengelenmemiştir ve (iki kanatlı bir pervane için) bir kanat diğerinden daha fazla itki üretebilir. Bu durum FMU'da salınımlı bir ‘My’ ölçümüne neden olur; maksimum değer, her iki pervane kanadı da standtan 90 derece uzaklaştığında (pervanenin yatay konumunda) görülür. Standın bulunmadığı durumda, bu moment pervane dikey olarak hizalandığında bir ‘Mx’ ölçümü, pervanenin yatay olarak hizalandığında ise bir ‘My’ ölçümü olarak görünür. Dengesiz bir pervaneden kaynaklanan bu momentin büyüklüğü bir döngü boyunca sabit kalırken yönü sürekli değişir.
Pervane dikey olarak hizalandığında ve bir kanadı standın önünde olduğunda, tam bir döngü boyunca maksimum ‘Mx’ ölçümü ile maksimum ‘My’ ölçümü arasındaki toplam veya fark (pervanenin nasıl dengesiz olduğuna bağlı olarak), yalnızca pervane ile stand arasındaki akışkan-yapı etkileşiminden kaynaklanan bileşke momenti verir. Bu, akışkan-yapı etkileşimi nedeniyle stand kuvvetini tahmin etmek için kullanılan yöntemdir.
Flight Stand 150 üzerindeki kuvvet, bu yöntem kullanılarak, üzerine monte edilmiş 60 inçlik bir pervane 1932 RPM'de dönerken tahmin edilmiştir.
Üç eksen etrafındaki kuvvetler ve momentler önce yük hücresi voltaj ham değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Bu değerler elde edildikten sonra ‘Mx’ ve ‘My’ üst üste çizilmiştir.
Şekil 7: Stand üzerindeki pervane için zamanla Mx ve My
Yukarıdaki şekilde, iki yeşil noktalı kesikli çizgi ‘-.’ arasındaki mesafe, pervanenin tam bir devrini gösterir.
Sonuç
Sonuçlarımız, bir CFD modelinin pervane itki performansını deneysel olarak ölçülen verilerden %69 farkla tahmin edebildiğini göstermiştir.
İtki testi için ideal bir yaklaşım, güç aktarma organı performansını karakterize etmek için hem CFD simülasyonlarını hem de deneysel testleri kullanır. Deneysel veriler toplandıktan sonra, belirli bir değere kadar daha yüksek devirlerde itki ve tork değerleri hakkında tahminlerde bulunmak için kullanılabilecek CFD verileri ile deneysel veriler arasında bir ilişki kurulabilir.
Bir ilişki kurulduktan sonra, farklı bir adıma sahip pervane kullanmak veya sistemi daha yüksek devirde çalıştırmak gibi küçük değişikliklerle sistemin performansı hakkında tahminlerde bulunmak için kullanılabilir.
Genel olarak CFD tahminlerde yararlıdır, ancak sonuçları deneysel olarak doğrulamak her zaman iyi bir fikirdir.
Motorlarınızı ve pervanelerinizi deneysel olarak test etmek isterseniz, aşağıdaki itki test standlarından birini öneririz:
- Series 1585 - 5 kgf itki / 2 Nm tork ölçer
- Flight Stand 15 - 15 kgf itki / 8 Nm tork ölçer
- Flight Stand 50 - 50 kgf itki / 30 Nm tork ölçer
- Flight Stand 150 - 150 kgf itki / 150 Nm tork ölçer
- Flight Stand 500 - 500 kgf itki / 1500 Nm tork ölçer