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CFD Modelling of 3D Effects in Cycloidal Rotors A Performance Analysis Assessment with Design Guidelines

Record Type:	Language materials, printed : Monograph/item
Title/Author:	CFD Modelling of 3D Effects in Cycloidal Rotors A Performance Analysis Assessment with Design Guidelines/ Mehdi Habibnia Rami.
Author:	Rami, Mehdi Habibnia,
Description:	1 electronic resource (213 pages)
Notes:	Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 84-02, Section: B.
Contained By:	Dissertations Abstracts International84-02B.
Subject:	Physics. -
Online resource:	http://pqdd.sinica.edu.tw/twdaoapp/servlet/advanced?query=29194026
ISBN:	9798837574849

CFD Modelling of 3D Effects in Cycloidal Rotors A Performance Analysis Assessment with Design Guidelines
Rami, Mehdi Habibnia,

CFD Modelling of 3D Effects in Cycloidal Rotors A Performance Analysis Assessment with Design Guidelines [electronic resource] /Mehdi Habibnia Rami. - 1 electronic resource (213 pages)

Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 84-02, Section: B.

O rotor cicloidal (ciclorotor) é um sistema propulsivo revolucionário que, até à data, não foi alvo de um estudo suficientemente sistemático, em particular no que diz respeito aos seus diferentes aspetos de projeto e aplicações. Como tal, a presente investigação apresenta um estudo sobre a viabilidade do conceito de propulsão a ciclorotor para um veículo aéreo não tripulado (UAV) capaz de pairar, sendo este estudo feito a partir de modelação usando dinâmica de fluidos computacional (CFD) e uma rede neural artificial (ANN). As simulações numéricas ou CFD incluem medições do desempenho e do campo de escoamento de um ciclorotor com 0,8 metros de envergadura e igual diâmetro. As simulações consideram diversas condições de operação e várias fases de voo. A capacidade de pairar, as fases de descolagem e de voo horizontal, o funcionamento a baixa altitude, e ainda os efeitos tridimensionais (3D), neste caso produzidos pelas placas finais nas laterais do ciclorotor estudados para esta escala. Para além disso, é proposto um sistema inovador de propulsão que recorre à combinação de dois ciclorotores e de um sistema de asa dupla com atuadores a plasma, o qual foi objeto de submissão de patente. São apresentadas numerosas simulações para os diferentes tipos de estratégias de voo, e de condições de funcionamento, as quais foram realizadas e gravadas numa base de dados de resultados de CFD. Subsequentemente, toda a informação obtida a partir do cálculo numérico é processadas em algoritmos ANN, tendo em vista uma análise e otimização adicional, em particular sobre todas as condições e modos de funcionamento avaliados. A análise ANN permite propor, com elevada eficácia computacional, as condições ótimas de operação para os vários tipos de funcionamento já mencionados, tendo por base os parâmetros de carga, os coeficientes das forças, e de figura de mérito, com vista a analisar o desempenho. As condições de operação do presente estudo incluem ainda uma gama de ângulos de oscilação da inclinação das pás, e de velocidades de rotação, as quais são definidas em função do modo de voo, o qual define os diferentes regimes, onde se incluem o pairar, o voo de baixa altitude, ou ainda descolagem e voo horizontal. Através de medições sistemáticas e de análise das variáveis de desempenho aerodinâmico foi possível compreender o efeito da velocidade de rotação, amplitude de inclinação das pás, a posição do eixo de inclinação das pás, a velocidade de cruzeiro/voo horizontal, a velocidade de decolagem, isto tudo a diferentes níveis de altitude. As medições de tração demonstraram ser distintas para diferentes regiões do trajeto circunferencial do ciclorotor. O perfil de NACA 0012 foi utilizado para todas as simulações realizadas durante o presente trabalho. Na base da análise ANN, foi considerada uma metodologia de controlo ativo, o que significa que tempos de oscilação de pás, definidos de forma inteligente, são propostos para cada uma das condições de funcionamento, o que resulta num maior desempenho aerodinâmico e num aumento de eficiência propulsiva. Isto é conseguido mantendo a geometria de ciclorotor mas, ao invés de modificar a inclinação das pás em tempos fixos do ciclo de rotação, propõese um funcionamento alternativo com variação dos tempos de oscilação dos respetivos ângulos de inclinação de acordo com o posicionamento azimutal da pá. Esta estratégia permitiu obter um incremento significativo no rendimento global do ciclorotor para cada modo de voo e respetivas condições de funcionamento. No que diz respeito à atração do jato de escoamento descendente, o qual é libertado pela parte inferior do ciclorotor, é apresentada uma patente que pretende direcionar o jato descendente para um canal, o qual é constituído por um sistema de asa dupla que é colocado entre os ciclorotores frontal e traseiro, sendo estes dois os constituintes do inovador sistema de propulsão. Portanto, ao invés de simplesmente libertar o jato descendente como num ciclorotor tradicional, este é aqui processado e conduzido pelas asas para o rotor traseiro, o qual funciona a maior velocidade angulares e tem uma menor escala comparativamente ao ciclorotor frontal.

English

ISBN: 9798837574849Subjects--Topical Terms:

564049
Physics.

CFD Modelling of 3D Effects in Cycloidal Rotors A Performance Analysis Assessment with Design Guidelines
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500 $a Source: Dissertations Abstracts International, Volume: 84-02, Section: B.
500 $a Advisors: Marques, José Carlos Páscoa Committee members: de Oliveira, Paulo Jorge dos Santos Pimentel; de Carvalho Gato, Luís Manuel; Teixeira, José Carlos Fernandes; Lopes, António Manuel Gameiro; Silvestre, Miguel Ângelo Rodrigues.
502 $b Ph.D. $c Universidade da Beira Interior (Portugal) $d 2021.
520 # $a O rotor cicloidal (ciclorotor) é um sistema propulsivo revolucionário que, até à data, não foi alvo de um estudo suficientemente sistemático, em particular no que diz respeito aos seus diferentes aspetos de projeto e aplicações. Como tal, a presente investigação apresenta um estudo sobre a viabilidade do conceito de propulsão a ciclorotor para um veículo aéreo não tripulado (UAV) capaz de pairar, sendo este estudo feito a partir de modelação usando dinâmica de fluidos computacional (CFD) e uma rede neural artificial (ANN). As simulações numéricas ou CFD incluem medições do desempenho e do campo de escoamento de um ciclorotor com 0,8 metros de envergadura e igual diâmetro. As simulações consideram diversas condições de operação e várias fases de voo. A capacidade de pairar, as fases de descolagem e de voo horizontal, o funcionamento a baixa altitude, e ainda os efeitos tridimensionais (3D), neste caso produzidos pelas placas finais nas laterais do ciclorotor estudados para esta escala. Para além disso, é proposto um sistema inovador de propulsão que recorre à combinação de dois ciclorotores e de um sistema de asa dupla com atuadores a plasma, o qual foi objeto de submissão de patente. São apresentadas numerosas simulações para os diferentes tipos de estratégias de voo, e de condições de funcionamento, as quais foram realizadas e gravadas numa base de dados de resultados de CFD. Subsequentemente, toda a informação obtida a partir do cálculo numérico é processadas em algoritmos ANN, tendo em vista uma análise e otimização adicional, em particular sobre todas as condições e modos de funcionamento avaliados. A análise ANN permite propor, com elevada eficácia computacional, as condições ótimas de operação para os vários tipos de funcionamento já mencionados, tendo por base os parâmetros de carga, os coeficientes das forças, e de figura de mérito, com vista a analisar o desempenho. As condições de operação do presente estudo incluem ainda uma gama de ângulos de oscilação da inclinação das pás, e de velocidades de rotação, as quais são definidas em função do modo de voo, o qual define os diferentes regimes, onde se incluem o pairar, o voo de baixa altitude, ou ainda descolagem e voo horizontal. Através de medições sistemáticas e de análise das variáveis de desempenho aerodinâmico foi possível compreender o efeito da velocidade de rotação, amplitude de inclinação das pás, a posição do eixo de inclinação das pás, a velocidade de cruzeiro/voo horizontal, a velocidade de decolagem, isto tudo a diferentes níveis de altitude. As medições de tração demonstraram ser distintas para diferentes regiões do trajeto circunferencial do ciclorotor. O perfil de NACA 0012 foi utilizado para todas as simulações realizadas durante o presente trabalho. Na base da análise ANN, foi considerada uma metodologia de controlo ativo, o que significa que tempos de oscilação de pás, definidos de forma inteligente, são propostos para cada uma das condições de funcionamento, o que resulta num maior desempenho aerodinâmico e num aumento de eficiência propulsiva. Isto é conseguido mantendo a geometria de ciclorotor mas, ao invés de modificar a inclinação das pás em tempos fixos do ciclo de rotação, propõese um funcionamento alternativo com variação dos tempos de oscilação dos respetivos ângulos de inclinação de acordo com o posicionamento azimutal da pá. Esta estratégia permitiu obter um incremento significativo no rendimento global do ciclorotor para cada modo de voo e respetivas condições de funcionamento. No que diz respeito à atração do jato de escoamento descendente, o qual é libertado pela parte inferior do ciclorotor, é apresentada uma patente que pretende direcionar o jato descendente para um canal, o qual é constituído por um sistema de asa dupla que é colocado entre os ciclorotores frontal e traseiro, sendo estes dois os constituintes do inovador sistema de propulsão. Portanto, ao invés de simplesmente libertar o jato descendente como num ciclorotor tradicional, este é aqui processado e conduzido pelas asas para o rotor traseiro, o qual funciona a maior velocidade angulares e tem uma menor escala comparativamente ao ciclorotor frontal.
520 3 $a The cycloidalrotor (cyclorotor) is a revolutionary propulsion system that has not been systematically studied in the past in terms of its different aspects and applications. Therefore, the current research presents the viability of the cyclorotor concept for powering a hoveringcapable unmanned scale aerial vehicle (UAV) through both computational fluid dynamics (CFD) and also artificial neural network (ANN) analysis. Numerical or CFD simulations included both performance and flow field measurements on a cyclorotor of span and diameter equal to 0.8 meter. The simulations consist of diverse operating conditions and under various flight phases. Hovering capabilities, forwardflight and liftup phases, operating under at closeground flight levels, and threedimensional (3D) effects of the endplates in the sides of cyclorotor in this scale. Furthermore, a novel propulsion system by using a coupled combination of two cyclorotors and pairwing system by using plasma actuators is also presented in the current study as a recent patent. Numerous simulations for various types of flight strategies and operating conditions are performed and recorded as a database from the CFD phase. Subsequently, all the data from the numerical computations are processed in ANN algorithms for further analysis and optimizations for all of the assessed operating conditions in all modes. The ANN analysis could effectively propose an optimal condition for all the abovementioned operations on the basis of the loading parameters, force coefficients, and figure of merit for efficiency analysis. The operating conditions in the current study refers to the ranged of pitching oscillation angles, and rotation speed, and the flight mode defines the different flying regimes such as hovering, closeground, or liftup and forwardflight concepts. Systematic and aerodynamic performance measurements and analysis have been conducted to understand the effect of the rotational speed, blade pitching amplitude, pitching axis location, forward/cruise speed, takeoff speed, different ground heightlevels. Force measurements showed to be distinctive in different regions on the circular trace of the traversing blades. The NACA 0012 profile is considered constantly for all the simulations in the current work. On the basis of ANN analysis, an active control methodology, meaning that smart pitching schedules are proposed for each of the operating conditions, that results in higher aerodynamic performance and efficiency augmentation. This happens by keeping the cycloidal definition in these rotor types, but instead of running the blades in a constant schedule over cycles, we proposed an alternative varying pitch schedule in accordance to the blade position which is called azimuth angle. This revealed significant enhancement in the overall cyclorotor efficiency at each flight mode and operating condition. Concerning the attraction of downwash jet flow from the bottom region of the cyclorotors, the present patent illustrates to guide the downwash jet through a nozzle duct which is consisted of double wings in the middle of two cyclorotors in the front and rear part of the propulsion mechanism. Thus, instead of washing away the downwash jet, we process it and make a possible running flow to face the rear rotor which operates at higher angular velocities and smaller scale compared with that of front cyclorotor.
546 $a English
590 $a School code: 7021
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720 1 $a Marques, José Carlos Páscoa $e degree supervisor.
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