پروانه هواپیما با روش مش متحرک، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (پروانه)

هدف از این مسأله، شبیه سازی عددی جریان دورانی اطراف پروانه هواپیما (aircraft propeller) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

یک پیشرانه (propulsion) تجهیزی است که نیروی مکانیکی را به نیروی رانشی (thrust) در هواپیما و کشتی تبدیل می‌کند. حرکت هوا یا آب نیروی رانشی لازم را فراهم می‌کند. یک پروانه از دو یا چند پره پیچ‌خورده تشکیل شده است. وقتی که پروانه حول محور خود می‌چرخد، نیرو برا (lift) تولید شده توسط این پره‌ها هوا را در جهت افقی حرکت می‌دهد.

در سیستم‌های پیشرفته، پروانه‌ها وظیفه تبدیل توان دورانی میل‌لنگ موتور (موتورهای پیستونی) را به نیروی محرکه برعهده دارند. این نیرو برابر است با حاصل‌ضرب جرم هوای به عقب رانده شده توسط پروانه در هر ثانیه و سرعت داده شده به جریان هوا.

اگر شخصی در حالی که هواپیما ثابت است پشت یک پروانه چرخان روی زمین بایستد، می‌تواند جریان هوا را به طور کامل احساس کند. اصولاً پره پروانه مانند بال کوچکی است که نیروی آیرودینامیکی (aerodynamic force) تولید می‌کند.

این نیروی آیرودینامیکی را می‌توان به یک مؤلفه نیرو در امتداد محور هواپیما (نیروی محرکه (propulsion force)) و مؤلفه دیگر در صفحه پره پروانه (نیروی گشتاور (torque force)) تقسیم کرد.

در این پروژه، تحلیل نیروهای رانشی و برا پشت پروانه روی بدنه هواپیما (fuselage) بررسی می‌شود.

ابتدا هندسه هواپیما و پروانه را به صورت سه بعدی در نرم افزار سالیدورک (Solidworks) را طراحی کردیم و در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر (ANSYS Design Modeler) وارد کردیم.

سپس مدل را در نرم افزار انسیس مشینگ (ANSYS Meshing) مش بندی کردیم. تعداد سلول‌های مش بندی معادل 692023 می‌باشد.

روش‌های استفاده شده

مدل‌سازی هواپیما و پروانه در دو ناحیه چرخشی (rotational) و ثابت (stationary) انجام می‌شود. با استفاده از روش مش متحرک (Mesh Motion)، دامنه محاسباتی باید حول محور پروانه بچرخد تا حرکت چرخشی پروانه مدل شود.

با توجه به اهمیت بیشتر پروانه در نتایج این مسأله، بهتر است اطراف آن را با سلول‌های باکیفیت‌تری مش بندی کنید. ناحیه محاسباتی استوانه‌ای دور پروانه با قطر پروانه 12/1 در نظر گرفته شده و در آن ناحیه مش بندی با دقت بیشتری انجام می‌شود.

ناحیه چرخشی در داخل منطقه ثابت قرار دارد و با استفاده از سطح مشترکی (interface) این دو ناحیه از همدیگر جدا می‌شوند.

همچنین حل این مدل به صورت وابسته به زمان است و از حلگر ناپایا (unsteady) استفاده شده است.

تجزیه و تحلیل مقیاس برای شبیه سازی پروانه چرخشی به گونه‌ای است که باید به تعدادی ضرایب پیشرفته (advanced coefficient) در این مدل‌سازی پرداخته شود. طبق جدول زیر، ضریب پیشرفته براساس روابط مورد استفاده برای نمونه های مشابه است.

نسبت سرعت نوک (Tip Speed Ratio (TSR)) = 1/ J = V/(n*d)

قطر پروانه (d) = 0.0532 m

سرعت پروانه (n) = 1800 rpm = 30 rad/s

درنتیجه، برای دستیابی به J = 1.225، سرعت معادل 2 m/s محاسبه می‌شود.

با توجه به محاسبات انجام شده، می‌توان از این شرایط مرزی برای شبیه سازی مقیاس‌های پروانه‌های مختلف استفاده کرد.

نتایج

طبق نتایج به دست آمده از شبیه سازی، مقادیر برا (lift) و پسا (drag) بر روی بدنه هواپیما و همچنین مقادیر رانشی و گشتاور بر روی پروانه به دست آمده است که در نمودارهای زیر نشان داده شده است.

در پروژه حاضر، شبیه‌سازی در اطراف هواپیما و پروانه انجام شده و مقادیر نیروی پسا و برا روی بدنه هواپیما و نیروی رانشی و گشتاور نیز روی پروانه به‌دست آمده است.

همچنین کانتورها (contour)، بردارها (vector) و خطوط جریان (streamline) نشان دهنده فیزیک جریان شکل گرفته در اطراف آن است. این مدل‌سازی نشان داد که با مشاهده نسبت پیشروی (advance ratio) برای هر پروانه، نقاط کاری (working points) را می‌توان به عنوان رابطه بین سرعت جریان و سرعت چرخشی پروانه تعریف کرد.

اما به طور خاص‌تر، ما به معیارهای بیشتری برای داشتن یک شبیه سازی کاملاً صحیح نیاز داریم، مانند عدد رینولدز (Reynolds) براساس سرعت پروانه و سرعت جریان.

از مطالعات تجربی و کارهای قبلی می‌توان دریافت که برای شبیه سازی پروانه دوار باید از معیار نسبت پیشروی با مقادیر سرعت پروانه برحسب معیارهای دو عدد رینولدز ذکر شده در بالا استفاده کرد.

برای یک پروانه مشابه، این معتبر است که رینولدز محاسبه شده با این اعداد، بزرگ‌تر از رینولدز بحرانی برای آن پروانه خاص باشد. در این صورت می‌توان هواپیما و پروانه را براساس نسبت پیشروی نقاط کار واقعی مدلسازی و شبیه سازی کند.