Predicciones de rendimiento del rotor para la movilidad aérea urbana: rotores rígidos simples vs. coaxiales
Autores: Cornelius, Jason; Schmitz, Sven; Palacios, Jose; Juliano, Bernadine; Heisler, Richard
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Predicciones de rendimiento del rotor para la movilidad aérea urbana: rotores rígidos simples vs. coaxiales
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
Desarrollo
Validación
Metodología
Modelos de rotor de alta resolución
CFD híbrido BEMT-URANS
Acelerado por GPU.
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 26
Citaciones: Sin citaciones
Este trabajo detalla el desarrollo y validación de una metodología para modelos de rotores de alta resolución utilizados en la teoría híbrida de elementos de ala y momento (BEMT-URANS) en CFD. Se demuestra que la metodología predice con precisión el rendimiento de rotores simples y coaxiales en una fracción del tiempo requerido por los métodos CFD convencionales. La metodología tiene tres características clave: (1) un modelo de rotor BEMT de alta resolución que permite grandes reducciones en el tamaño de la malla, (2) un conjunto discretizado de fuentes de momento para interfaciar entre el modelo de rotor BEMT y el solucionador de flujo URANS estructurado, y (3) la utilización de las dos primeras características para permitir simulaciones CFD multirotor aceleradas por GPU altamente paralelizadas. El enfoque híbrido mantiene un flujo de entrada de rotor de alta fidelidad, propagación de estela y efectos de interacción entre rotores a un costo computacional varios órdenes de magnitud más bajo en comparación con el CFD convencional resuelto por palas, manteniendo una alta precisión en las métricas de rendimiento del rotor en estado estacionario. Las predicciones de rendimiento del rotor de empuje y par para configuraciones de rotores simples y coaxiales se comparan con los datos obtenidos por los autores en el túnel de viento subsonico de 14 por 22 pies de NASA Langley. Se realizaron simulaciones con tablas de rendimiento de perfiles aerodinámicos totalmente turbulentos y de transición libre para cuantificar la incertidumbre asociada. El empuje y el par del rotor simple se predijeron en promedio dentro del 4%. El empuje y la potencia coaxiales se predijeron dentro de un promedio del 5%. También se presenta y discute un fenómeno de blindaje del estado de anillo de vórtice (VRS) para sistemas de rotores coaxiales. Los resultados apoyan que esta metodología híbrida de CFD BEMT-URANS puede ser altamente paralelizada en máquinas GPU para obtener predicciones precisas del rendimiento del rotor en todo el espectro de posibles condiciones de vuelo de UAM en una fracción del tiempo requerido por métodos convencionales de mayor fidelidad. Esta estrategia se puede utilizar para crear rápidamente tablas de búsqueda con cientos a miles de condiciones de vuelo utilizando un CFD multirotor tridimensional para UAM.
Descripción
Este trabajo detalla el desarrollo y validación de una metodología para modelos de rotores de alta resolución utilizados en la teoría híbrida de elementos de ala y momento (BEMT-URANS) en CFD. Se demuestra que la metodología predice con precisión el rendimiento de rotores simples y coaxiales en una fracción del tiempo requerido por los métodos CFD convencionales. La metodología tiene tres características clave: (1) un modelo de rotor BEMT de alta resolución que permite grandes reducciones en el tamaño de la malla, (2) un conjunto discretizado de fuentes de momento para interfaciar entre el modelo de rotor BEMT y el solucionador de flujo URANS estructurado, y (3) la utilización de las dos primeras características para permitir simulaciones CFD multirotor aceleradas por GPU altamente paralelizadas. El enfoque híbrido mantiene un flujo de entrada de rotor de alta fidelidad, propagación de estela y efectos de interacción entre rotores a un costo computacional varios órdenes de magnitud más bajo en comparación con el CFD convencional resuelto por palas, manteniendo una alta precisión en las métricas de rendimiento del rotor en estado estacionario. Las predicciones de rendimiento del rotor de empuje y par para configuraciones de rotores simples y coaxiales se comparan con los datos obtenidos por los autores en el túnel de viento subsonico de 14 por 22 pies de NASA Langley. Se realizaron simulaciones con tablas de rendimiento de perfiles aerodinámicos totalmente turbulentos y de transición libre para cuantificar la incertidumbre asociada. El empuje y el par del rotor simple se predijeron en promedio dentro del 4%. El empuje y la potencia coaxiales se predijeron dentro de un promedio del 5%. También se presenta y discute un fenómeno de blindaje del estado de anillo de vórtice (VRS) para sistemas de rotores coaxiales. Los resultados apoyan que esta metodología híbrida de CFD BEMT-URANS puede ser altamente paralelizada en máquinas GPU para obtener predicciones precisas del rendimiento del rotor en todo el espectro de posibles condiciones de vuelo de UAM en una fracción del tiempo requerido por métodos convencionales de mayor fidelidad. Esta estrategia se puede utilizar para crear rápidamente tablas de búsqueda con cientos a miles de condiciones de vuelo utilizando un CFD multirotor tridimensional para UAM.