جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای سعید طیوری )
موضوع: توسعه نرم‌افزاری برای تحليل هيدر-آیرودیناميكی ملخ‌های هواپيما و پروانه‌ی شناورها
ارائه دهنده: سعید طیوری
استاد راهنما: دکتر شهریار منصورزاده
استاد مشاور: دکتر احمدرضا پیشه‌ور
استادان داور: دکتر محمود اشرفی‌زاده - دکتر محسن ثقفیان
چیکده:
یکی از مسائل مطرح در حوزه‌ی هیدروآیرودینامیک مبحث تحلیل پروانه‌های شناورها و ملخ های هواپیما است. با تحلیل هیدروآیرودینامیک پروانه ها می‌توان رفتار دینامیکی آن‌ها را پیش بینی کرد و در صورت لزوم اصلاحات لازم را در جهت بهبود عملکرد آن‌ها انجام داد. از میان روش های موجود جهت بررسی رفتار پروانه‌های شناورها و ملخ های هواپیماها استفاده از تحلیل عددی توسط نرم افزارهای رایانه‌ای است. این روش نسبت به روش‌های تجربی هزینه کمتری دارد و نیز قابلیت تحلیل مسائل پیچیده را فراهم می‌آورد. نرم افزارهای تحلیل مسائل هیدرآیرودینامیک پروانه ها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد. دسته اول شامل نرم افزارهایی مانند Fluent، Ansys CFX و... هستند که با حل معادلات ناویر استوکس مسئله مورد نظر را تحلیل می‌کنند و دسته دوم نرم افزارهایی مانند Openprop،Jblade و ... هستند که با استفاده از فرضیاتی، فرم ساده شده مسئه را تحلیل می‌کنند. برتری نرم افزارهای دسته اول نسبت به دسته دوم، مشروط بر استفاده از مدل های متناسب با شرایط عملکرد مسئله، تعریف دقیق مسئله و استفاده از شرایط مرزی و شبکه بندی مناسب، دقت نتایج بدست آمده آن ها است. با این وجود به دلیل هزینه های محاسباتی زیاد شامل هزینه های لازم جهت استفاده از رایانه های با سرعت بالا و زمان بسیار زیاد برای حل معادلات و همگرا شدن نتایج آن‌ها، معمولا از این نرم افزارها در مراحل پایانی طراحی استفاده می‌شود. برای تعیین شرایط عملکرد پروانه ها معمولا ابتدا از نرم افزارهای عددی دسته دوم که با سرعت بسیار بالاتر و هزینه محاسباتی بسیار کمتری قادر به تخمین پارامترهای مرتبط با دینامیک حرکت پروانه‌ها هستند استفاده می‌شود و هنگامی که شرایط نزدیک به حالت بهینه توسط این نوع نرم افزارها بدست آمد، برای تست دقیق‌تر عملکرد آن‌ها از روش های تجربی و یا از نرم افزارهای نوع اول استفاده می‌شود. در این پژوهش با استفاده از تئوری‌های موجود هیدرو آیرودینامیک، برنامه‌ای طراحی شده است که می‌تواند پروانه های شناورها و ملخ های هواپیما را در زمان کوتاهی تحلیل کند. برنامه طراحی شده در این پژوهش از دو روش مومنتم المان پره و خط برا جهت تحلیل مسائل استفاده می‌کند. روش مومنتم المان پره با استفاده از قوانین بقا برای یک حجم کنترل حول پروانه، تعادل سرعت و نیرو در مقاطع مختلف پروانه مسئله را تحلیل می‌کند و روش خط برا با جایگزین کردن پره‌های پروانه با مجموعه‌ای از گردابه ها به حل مسئله می پردازد. در پژوهش حاضر برای افزایش دقت برنامه از تصحیحاتی نظیر اعمال افت پره و تصحیح ضریب لیفت برای جریان‌های سه بعدی برای روش مومنتم المان پره استفاده شده است. همچنین در این پژوهش بر اساس نتایج تجربی رابطه‌ای برای ضریب سرعت محوری ارائه شده است که سبب افزایش دقت در نتایج بخصوص افزایش دقت در محاسبه ضریب تراست پروانه می شود. برای استفاده از این روش‌ها نیاز به ضریب لیفت و ضریب درگ در زوایای حمله مختلف در مقاطع مختلف پره می‌باشد. ضرایب لیفت و درگ در زاویه های حمله‌ی محدود توسط نرم افزار تجاری Xfoil محاسبه شده و به برنامه طراحی شده در این پژوهش منتقل می‌شود. هنگامی که برای تحلیل پروانه نیاز به ضرایب لیفت و درگ در خارج از محدوده‌ای که توسط برنامه Xfoil محاسبه می‌شود، می باشد از روش ویترنا برای پیش بینی ضرایب لیفت و درگ در تمامی زوایای حمله استفاده شده است. از دیگر قابلیت های برنامه طراحی شده در این پژوهش بهینه سازی پروانه بوسیله الگوریتم ژنتیک است که می‌تواند پارامترهای هندسی پروانه را مورد بهینه سازی قرار دهد. همچنین این برنامه از قابلیت تحلیل چندتایی بهره می‌برد. بدین صورت که این برنامه هر تعداد پروانه دلخواه را با شرایط تحلیل یکسان مورد بررسی قرار می‌دهد و نتایج را به صورت گروهی جهت مقایسه بین پروانه های تحلیل شده نمایش می‌دهد. قابلیت دیگر برنامه توسعه یافته در این پژوهش بدست آوردن پارامترهای هندسی پروانه بر اساس شرایط و نتایج دلخواه است که این قابلیت سبب کاهش زمان جهت بدست آوردن مشخصات هندسی پروانه بر اساس نتایج دلخواه است. برای صحت سنجی نتایج حاصل از تحلیل برنامه، هر روش با داده‌های آزمایشگاهی و نتایج برنامه‌های مشابه مقایسه شده است. بدلیل همسان سازی نوع روش حل برای مقایسه با برنامه های مشابه، برای روش مومنتم المان پره از برنامه Jblade و برای روش خط برا از برنامه Openprop استفاده شده است. نتایج حاصل از این مقایسه نشان داد که نتایج حاصل از روش مومنتم المان پره در برنامه طراحی شده نتایج بهتری را نسبت به برنامه Jblade ارائه می‌کند ولی دارای اختلاف با نتایج آزمایشگاهی است. عواملی چون استفاده از فرضیات ساده‌کننده روش تحلیل، تقربی بودن ضرایب لیفت و درگ محاسبه شده و ناتوانی این روش در محاسبه ضریب سرعت مماسی در این اختلاف موثر هستند. نتایج حاصل از روش خط برا در این پژوهش با نتایج آزمایشگاهی و برنامه Openprop دارای اختلاف اندکی است که ناشی از تقریبی بودن ضرایب لیفت و درگ محاسبه شده است. برای بررسی بیشتر روش‌های تحلیل، پروانه ای دیگر مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج هر دو روش با نتایج برنامه Ansys CFX مقایسه شده است. در انتهای پژوهش برای پروانه ای که در قسمت قبل مورد بررسی قرار گرفته است با استفاده از روش الگوریتم ژنتیک مدل بهینه ای ارائه می شود.