Un Enfoque Preliminar hacia el Modelado de Heladas en Rotores Usando el Método de Rejilla de Vórtices No Estacionarios
Autores: Samad, Abdallah; Villeneuve, Eric; Morency, François; Béland, Mathieu; Lapalme, Maxime
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Un Enfoque Preliminar hacia el Modelado de Heladas en Rotores Usando el Método de Rejilla de Vórtices No Estacionarios
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Robótica
Palabras clave
rotores
Acumulación de hielo
Sistemas de protección térmica contra el hielo
UVLM
Cargas de calor anti-hielo
Modelado aerodinámico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
Los rotores de UAV están en alto riesgo de acumulación de hielo durante sus operaciones en condiciones de congelación. Se están empleando sistemas de protección térmica contra el hielo (IPS) como un medio para proteger las palas del rotor del hielo, sin embargo, diseñar el IPS adecuado con la densidad de calefacción requerida sigue siendo un desafío. En este trabajo, se propone una técnica de modelado de orden reducido basada en el Método de Lattice de Vórtices No Estacionarios (UVLM) como una forma de predecir la formación de hielo en el rotor y calcular las cargas de calor necesarias para la anti-congelación. El UVLM está ganando popularidad reciente para el modelado de aeronaves y rotores. Este método es lo suficientemente flexible como para modelar problemas aerodinámicos difíciles, computacionalmente eficiente en comparación con métodos CFD de orden superior y lo suficientemente preciso para problemas de diseño conceptual. Una implementación previamente desarrollada del UVLM para el modelado aerodinámico de rotores 3D se amplía para incorporar un modelo termodinámico de congelación en estado estacionario simplificado en la línea de estancamiento de la pala. Un algoritmo de acoplamiento viscoso basado en un método alfa modificado incorpora datos viscosos en los cálculos originalmente inviscidos del UVLM. El algoritmo también predice el ángulo de ataque efectivo en cada estación radial de la pala (r/R), que a su vez se utiliza para calcular la transferencia de calor convectiva para cada r/R utilizando una correlación basada en CFD para perfiles aerodinámicos. La eficiencia de recolección de gotas en la línea de estancamiento se calcula utilizando una correlación popular de la literatura. El balance de masa de hielo y transferencia de calor incluye términos para evaporación, sublimación, radiación, convección, impacto de agua, calentamiento cinético y calentamiento aerodinámico, así como un flujo de calor de anti-congelación. La técnica de acoplamiento UVLM-congelación propuesta se prueba replicando los resultados experimentales para la acumulación de hielo y la anti-congelación del rotor de 4 palas del dron APT70. Las predicciones aerodinámicas del UVLM para el Factor de Mérito, el empuje y los coeficientes de torque coinciden dentro del 10% de las mediciones experimentales. Para condiciones de congelación a -5 grados C, el enfoque propuesto sobreestima el flujo de anti-congelación requerido en alrededor del 50%, aunque predice suficientemente el efecto del calentamiento aerodinámico sobre la falta de formación de hielo cerca de las puntas de las palas. A -12 grados C, las visualizaciones de la formación de hielo a diferentes potencias de calefacción de anti-congelación coinciden bien con las predicciones del UVLM. Sin embargo, se encontró una gran discrepancia al predecir la carga de calor de anti-congelación requerida. Las discrepancias entre los datos numéricos y experimentales se deben en gran medida a los efectos transitorios y 3D no contabilizados relacionados con el proceso de congelación en las palas en rotación, que se han planeado para trabajos futuros.
Descripción
Los rotores de UAV están en alto riesgo de acumulación de hielo durante sus operaciones en condiciones de congelación. Se están empleando sistemas de protección térmica contra el hielo (IPS) como un medio para proteger las palas del rotor del hielo, sin embargo, diseñar el IPS adecuado con la densidad de calefacción requerida sigue siendo un desafío. En este trabajo, se propone una técnica de modelado de orden reducido basada en el Método de Lattice de Vórtices No Estacionarios (UVLM) como una forma de predecir la formación de hielo en el rotor y calcular las cargas de calor necesarias para la anti-congelación. El UVLM está ganando popularidad reciente para el modelado de aeronaves y rotores. Este método es lo suficientemente flexible como para modelar problemas aerodinámicos difíciles, computacionalmente eficiente en comparación con métodos CFD de orden superior y lo suficientemente preciso para problemas de diseño conceptual. Una implementación previamente desarrollada del UVLM para el modelado aerodinámico de rotores 3D se amplía para incorporar un modelo termodinámico de congelación en estado estacionario simplificado en la línea de estancamiento de la pala. Un algoritmo de acoplamiento viscoso basado en un método alfa modificado incorpora datos viscosos en los cálculos originalmente inviscidos del UVLM. El algoritmo también predice el ángulo de ataque efectivo en cada estación radial de la pala (r/R), que a su vez se utiliza para calcular la transferencia de calor convectiva para cada r/R utilizando una correlación basada en CFD para perfiles aerodinámicos. La eficiencia de recolección de gotas en la línea de estancamiento se calcula utilizando una correlación popular de la literatura. El balance de masa de hielo y transferencia de calor incluye términos para evaporación, sublimación, radiación, convección, impacto de agua, calentamiento cinético y calentamiento aerodinámico, así como un flujo de calor de anti-congelación. La técnica de acoplamiento UVLM-congelación propuesta se prueba replicando los resultados experimentales para la acumulación de hielo y la anti-congelación del rotor de 4 palas del dron APT70. Las predicciones aerodinámicas del UVLM para el Factor de Mérito, el empuje y los coeficientes de torque coinciden dentro del 10% de las mediciones experimentales. Para condiciones de congelación a -5 grados C, el enfoque propuesto sobreestima el flujo de anti-congelación requerido en alrededor del 50%, aunque predice suficientemente el efecto del calentamiento aerodinámico sobre la falta de formación de hielo cerca de las puntas de las palas. A -12 grados C, las visualizaciones de la formación de hielo a diferentes potencias de calefacción de anti-congelación coinciden bien con las predicciones del UVLM. Sin embargo, se encontró una gran discrepancia al predecir la carga de calor de anti-congelación requerida. Las discrepancias entre los datos numéricos y experimentales se deben en gran medida a los efectos transitorios y 3D no contabilizados relacionados con el proceso de congelación en las palas en rotación, que se han planeado para trabajos futuros.