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Diseño de Hélices de Aeronaves a través de Optimización por Enjambre de Partículas Aero-Estructural Constrainada

Autores: Hoyos, José D.; Jiménez, Jesús H.; Echavarría, Camilo; Alvarado, Juan P.; Urrea, Germán

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2022

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Acceso abierto

Artículo científico
2022

Diseño de Hélices de Aeronaves a través de Optimización por Enjambre de Partículas Aero-Estructural Constrainada


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Aeroespacial

Palabras clave

Hélice
Optimización
Aerodinámico
Perfil alar
CFD
Estructural

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 32

Citaciones: Sin citaciones


Descripción
Se desarrolla un algoritmo aeroestructural para reducir el consumo de energía de una aeronave propulsada por hélice a través de un método de diseño de hélices acoplado con una Optimización por Enjambre de Partículas (PSO). Se considera una amplia gama de parámetros de hélice en la optimización, incluida la geometría del perfil aerodinámico en cada sección de la hélice. La herramienta de predicción del rendimiento de la hélice emplea una Teoría de Momento de Elemento de Cuchilla mejorada por convergencia, alimentada por características aerodinámicas del perfil obtenidas de XFOIL y un OpenFOAM validado. Se estima una corrección del ángulo de pérdida a partir de datos experimentales de NACA de 4 dígitos y se emplea donde surgen problemas de convergencia. Los datos aerodinámicos se corrigen para tener en cuenta la compresibilidad, los efectos tridimensionales, viscosos y del número de Reynolds. Se proponen los coeficientes para las correcciones rotacionales a partir del ajuste de datos experimentales. Se emplea un modelo estructural basado en la teoría de vigas de Euler-Bernoulli y se valida contra Análisis de Elementos Finitos, mientras se discute el impacto de las fuerzas centrífugas. Se lleva a cabo un caso de estudio donde se comparan las distribuciones de cuerda y paso con la distribución de pérdidas mínimas de la teoría de vórtices. Se realizaron pruebas en túnel de viento con hélices impresas para concluir la viabilidad de toda la rutina y las diferencias entre las hélices óptimas de XFOIL y CFD. Finalmente, se compara la hélice óptima de CFD con una hélice comercial con el mismo diámetro, paso y condiciones operativas, mostrando mayor empuje y eficiencia.

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