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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
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.
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.
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.
Description
Keywords
Rotores Cicloidais Computational Fluid Dynamics - CFD OpenFOAM Rede Neural Artificial Otimização Voo horizontal Fase de decolagem Cruzeiro Pairar