Algoritmo para optimización de hélices basado en evolución diferencial
Autores: Sedelnikov, Andry; Kurkin, Evgenii; Quijada-Pioquinto, Jose Gabriel; Lukyanov, Oleg; Nazarov, Dmitrii; Chertykovtseva, Vladislava; Kurkina, Ekaterina; Hoang, Van Hung
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Algoritmo para optimización de hélices basado en evolución diferencial
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Sistemas
Palabras clave
Metodología
Optimización de la hélice de aire
Curvas de Bezier
Geometría de la pala
Optimización restringida
Algoritmo de evolución diferencial
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 24
Citaciones: Sin citaciones
Este documento describe el desarrollo de una metodología para la optimización de hélices aéreas utilizando curvas de Bezier para describir la geometría de la hoja. El enfoque propuesto permite una mayor flexibilidad en el ajuste de la forma de la hélice, por ejemplo, utilizando un perfil aerodinámico variable a lo largo de la envergadura de la hoja. El objetivo de la optimización es identificar la geometría adecuada de una hélice que reduzca la potencia requerida para lograr una determinada fuerza de empuje. Dado que el problema de optimización propuesto es un proceso de optimización restringido, se utilizó la técnica de generación de una función de penalización para convertir el proceso en una optimización no restringida. Para el proceso de optimización, se utilizó una variante del algoritmo de evolución diferencial, que incluye técnicas adaptativas de los operadores evolutivos y un método de reducción del tamaño de la población. Las características aerodinámicas de las hélices se obtuvieron utilizando la teoría de momento del elemento de la hoja similar al método de sección aislada (ISM) y el programa XFOIL. Reemplazar el ángulo de torsión geométrica con el ángulo de ataque de la sección del perfil aerodinámico como variable de diseño permitió aumentar la robustez del algoritmo de optimización y reducir el tiempo de cálculo. La técnica de optimización se implementó en el código OpenVINT y se ha utilizado para diseñar hélices de helicóptero y tractor para vehículos aéreos no tripulados. El algoritmo de desarrollo fue validado experimentalmente y utilizando el método numérico de CFD. Las pruebas experimentales confirman que la geometría optimizada de la hélice es superior a los análogos comerciales disponibles en el mercado.
Descripción
Este documento describe el desarrollo de una metodología para la optimización de hélices aéreas utilizando curvas de Bezier para describir la geometría de la hoja. El enfoque propuesto permite una mayor flexibilidad en el ajuste de la forma de la hélice, por ejemplo, utilizando un perfil aerodinámico variable a lo largo de la envergadura de la hoja. El objetivo de la optimización es identificar la geometría adecuada de una hélice que reduzca la potencia requerida para lograr una determinada fuerza de empuje. Dado que el problema de optimización propuesto es un proceso de optimización restringido, se utilizó la técnica de generación de una función de penalización para convertir el proceso en una optimización no restringida. Para el proceso de optimización, se utilizó una variante del algoritmo de evolución diferencial, que incluye técnicas adaptativas de los operadores evolutivos y un método de reducción del tamaño de la población. Las características aerodinámicas de las hélices se obtuvieron utilizando la teoría de momento del elemento de la hoja similar al método de sección aislada (ISM) y el programa XFOIL. Reemplazar el ángulo de torsión geométrica con el ángulo de ataque de la sección del perfil aerodinámico como variable de diseño permitió aumentar la robustez del algoritmo de optimización y reducir el tiempo de cálculo. La técnica de optimización se implementó en el código OpenVINT y se ha utilizado para diseñar hélices de helicóptero y tractor para vehículos aéreos no tripulados. El algoritmo de desarrollo fue validado experimentalmente y utilizando el método numérico de CFD. Las pruebas experimentales confirman que la geometría optimizada de la hélice es superior a los análogos comerciales disponibles en el mercado.