روشهای عددی در مهندسی

روشهای عددی در مهندسی

شبیه‌سازی عددی جریان روی ملخ یک پرنده در شرایط کاری مختلف

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدباقر مهکی 1
مهدی صاحبی 2
1 گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران
10.47176/jcme.45.1.1077
چکیده
در پرنده‌های دارای سیستم پیشرانش ملخ، عملکرد ملخ‌، به‌ویژه از نظر تولید نیروی پیشرانش و گشتاور، تأثیر مستقیمی بر عملکرد کلی سیستم دارد. در این مطالعه، عملکرد ملخ یک پرنده اثر سطح به قطر m 2 به روش عددی شبیه‌سازی شد. در شرایط بررسی پایه، سرعت دورانیrpm 2200 برای ملخ و سرعت پیشرویkm/h 180 برای پرنده در نظر گرفته شد.همچنین، اثر پارامترهایی چون سرعت دورانی ملخ، زاویه گام پره و سرعت پیشروی پرنده بر نیروی پیشرانش و گشتاور اعمالی بر ملخ بررسی شد. شبیه‌سازی‌های عددی به کمک نرم‌افزار تجاری ANSYS CFX انجام و جریان به صورت سه‌بعدی، تراکم‌پذیر و آشفته در نظر گرفته شد. برای در نظر گرفتن آشفتگی جریان، از مدل SST K-ω استفاده و تاثیر چرخش پره‌های ملخ نیز به کمک مدل قاب مرجع متحرک در نظر گرفته شد. نتایج این تحقیق بیانگر آن است که افزایش دور ملخ از 2000 تا rpm 2200، باعث افزایش حدود 180 و 67 درصدی در ضریب پیشرانش و ضریب توان ملخ شده است. افزایش زاویه گام پره نیز نتایجی مشابه با افزایش دور ملخ داشته است. دو درجه افزایش زاویه گام، موجب افزایش ضریب پیشرانش، ضریب توان و بازده ملخ تا 61، 42 و 14 درصد شده است. در مقابل، افزایش سرعت پیشروی پرنده، موجب کاهش زاویه حمله روی مقاطع ایرفویلی شده است. به طوری که ضریب پیشرانش، ضریب توان و بازه ملخ در سرعت پیشرویkm/h 210، برابر با 5، 43 و 13 درصد این مقادیر در سرعت km/h 150 بوده است.
کلیدواژه‌ها
شناور اثر سطحی
ملخ
قاب مرجع متحرک
نیروی پیشرانش
گشتاور اعمالی بر پره
موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Flow on a flying boat Propeller in Different Working Conditions

نویسندگان English

محمدباقر مهکی 1
Mahdi Sahebi, 2
1 Department of Mechanical Engineering, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Qom University of Technology, Qom, Iran
چکیده English

The performance of a propeller, specifically its thrust and torque, critically affects the overall efficiency of propeller-driven vehicles. This study numerically investigates a flying boat propeller with a diameter of 2 m, operating at a rotational speed of 2200 rpm and an advance speed of 180 km/h. The three‑dimensional, compressible, turbulent airflow is modeled using the SST k‑ω turbulence scheme, and blade rotation is accounted for via the moving reference frame (MRF) approach. The effects of rotational speed, blade pitch angle, and vehicle advance speed on thrust and torque are quantitatively evaluated. ANSYS Fluent commercial code was utilized for performing numerical simulations. The CFD results showed a reasonable agreement with experimental results. Key results show that increasing the rotational speed from 2000 rpm to 2200 rpm raises the thrust by approximately 180\% and the torque by 67\%. A 2‑degree increase in the blade pitch angle yields respective increases of 61\%, 42\%, and 14\% in thrust, torque, and efficiency. In contrast, the advance speed has an inverse effect: at 210 km/h, thrust, torque, and efficiency drop to only 5\%, 43\%, and 13\% of their values at 150 km/h, respectively. These findings demonstrate the strong sensitivity of the propeller performance to the operational parameters, especially advance speed, and provide quantitative benchmarks for design applications in compressible flow regimes.

کلیدواژه‌ها English

Wing In Ground Effect
Propeller
Moving Reference Frame
Thrust
Propeller Torque
1. Sadegizadeh M. Flying Boats Design: Malek Ashtar University of Technology; 2004.
2. Ahmed M.R.., Sharma S. An investigation on the aerodynamics of a symmetrical airfoil in ground effect. Experimental Thermal and Fluid Science. 2005; 29(6): 633–647.
https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2004.09.001
3. Jung K.H., Chun H.H., Kim H.J. Experimental investigation of wing-in-ground effect with a NACA6409 section. Journal of marine science and technology. 2008;13(4):317–27. 
https://doi.org/10.1007/s00773-008-0015-4.
4. Qu Q., Lu Z., Liu P., Agarwal R.K. Numerical study of aerodynamics of a wing-in-ground-effect craft. Journal of Aircraft. 2014; 51(3): 913–924.
http://dx.doi.org/10.2514/1.C032531.
5. Lee T., Lin G. Review of experimental investigations of wings in ground effect at low Reynolds numbers. Frontiers in Aerospace Engineering. 2022; 1: 975158. https://doi.org/10.3389/fpace.2022.975158.
6. Afshar H., Alishahi M. A study of winglet and aerodynamic interferences in 3-D viscous flow around a flying-boat in ground effect. Journal of applied sciences. 2009; 9(20): 3752–3577. https://doi.org/10.3923/jas.2009.3752.3757.
7. Raymond A.E. Ground influence on airfoils. NACA Technical Note 67, 1921.
8. Sanchez-Cuevas P., Heredia G., Ollero A. Characterization of the aerodynamic ground effect and its influence in multirotor control. International Journal of Aerospace Engineering. 2017; 2017(1): 1823056. https://doi.org/10.1155/2017/1823056.
9. He X., Leang K.K. Quasi-steady in-ground-effect model for single and multirotor aerial vehicles. AIAA Journal. 2020; 58(12): 5318–5331.
https://doi.org/10.2514/1.J059223.
10. Georgiev G., Serbezov V., Todorov M., Experimental study of multicopter propeller performance near ground at different inclination angles. AIP Conference Proceedings; 2022 AIP Publishing LLC: https://doi.org/10.1063/5.0106920.
11. Cai J., Gunasekaran S., Effect of partial ground and partial ceiling on propeller performance. Journal of Aircraft. 2023; 60(3): 648–661.
https://doi.org/10.2514/1.C036974.
12. Cai J., Gunasekaran S., Ahmed A. Changes in propeller performance due to ground proximity. AIAA scitech 2019 forum; 2019. https://doi.org/10.2514/6.2019-1097
13. Garofano-Soldado A., Sanchez-Cuevas P.J., Heredia G., Ollero A. Numerical-experimental evaluation and modelling of aerodynamic ground effect for small-scale tilted propellers at low Reynolds numbers. Aerospace Science and Technology. 2022; 126: 107625. https://doi.org/10.1016/j.ast.2022.107625.
14. Liu Y., Li D., Zhao S., Xiang J., Lu Y. Aerodynamic analysis of a small-scale propeller under ground-sidewall coupling interference. Aerospace Science and Technology. 2026; 170: 111541.
https://doi.org/10.1016/j.ast.2025.111541.
15. Dombrovschi M., Badea G.P., Frigioescu T.F., Căldărar M., Crunțeanu D.E. Ground Effect Influence on UAV Propeller Thrust: Experimental and CFD Validation. Technologies. 2025; 13(12): 542. https://doi.org/10.3390/technologies13120542.
16. Afshar H., Alishahi M. Study of Propeller Installment Angle and its 3-D Aerodynamic Interferences With a Flying-Boat Empuennage in Ground Effects. Sharif Journal of Civil Engineering. 2008; 24(42): 89–94. https://sjce.journals.sharif.edu/article_83.html
17. Afshar H., Keshvari M.A. 3D Numerical Simulation of Propeller and its Aerodynamic Interference Effects on Tail of a Flying Boat. Journal of Applied Sciences. 2015;15(4): 644–653.
https://doi.org/10.3923/jas.2015.644.653.
18. Chun H., Kim M. Analysis of Propeller-WIG Interaction and Performance in Potential Flow. Journal of the Society of Naval Architects of Korea. 2001; 38(4): 11–22.
https://doi:10.3744/SNAK.2026.63.2.60
19. Kamali J.S.S., Dehghan, M. Three-dimensional investigation of the flow over a propeller of an aircraft and comparison with experimental results and design of a duct fan for it in order to investigate its effect on propeller thrust. 10th Iranian Aerospace Society Conference,; Tehran2010.
https://civilica.com/doc/134336/.
20. Azizi M. Optimal propeller design for a flying boat.  Sixth National Conference on Mechanical and Aerospace Engineering; Tehran2021.
https://civilica.com/doc/1299248.
21. Lowry J. L. Performance of Light Aircraft, American Institute of Aeronautics and Astronautics; 1999.
22. Epps B., Chalfant J., Kimball R., Techet A., Flood K., Chryssostomidis C. OpenProp: An open-source parametric design and analysis tool for propellers. Proceedings of the 2009 grand challenges in modeling & simulation conference; 2009. https://doi.org/10.5555/2349462.2349476
23. Anderson J. Fundamentals of Aerodynamics, New York: McGraw hill; 2011.
24. ANSYS. ANSYS 13.0 CFX Theory Guide. USA: ANSYS Inc; 2010.
25. Menter F.R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA journal. 1994; 32(8): 1598–1605.
https://doi.org/10.2514/3.12149.
26. Experimental Data Base For Computer Program Assessment. Advisory Group For Aerospace Research And Development 1979.
27. Reynolds R.M.,  Buell D.A., Walker J.H. Investigation of an NACA 4-(5)(05)-041 Four-blade Propeller with Several Spinners at Mach Numbers up to 0.90. 1952.
https://ntrs.nasa.gov/citations/19930087796.

تحت نظارت وف ایرانی