Optimizing propeller performance: a comprehensive constrained multi-objective design approach using blade element theory and evolutionary algorithms
Ano de defesa: | 2023 |
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Autor(a) principal: | |
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Tipo de documento: | Tese |
Tipo de acesso: | Acesso aberto |
Idioma: | eng |
Instituição de defesa: |
Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
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Programa de Pós-Graduação: |
Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
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Departamento: |
ICE – Instituto de Ciências Exatas
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País: |
Brasil
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Palavras-chave em Português: | |
Área do conhecimento CNPq: | |
Link de acesso: | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15926 |
Resumo: | Atualmente são crescentes as preocupações com eficiência energética, sustentabilidade e com o meio ambiente, como proposto pela ONU através do The Global Goals (Goal 9 - Industry, Innovation and Infrastructure), e a busca por novas soluções mais eficientes e limpas é notória em todos os campos da engenharia. Com o avanço de novas técnicas de manufatura, descoberta e desenvolvimento de novos materiais e ampliação das capacidades computacionais surgem novas oportunidades de estudo no campo da engenharia aeronáutica. O presente trabalho propõe a elaboração de uma nova metodologia a ser utilizada no projeto e otimização de hélices, bem como os algoritmos e acoplamentos necessários. Foi realizada uma busca por perfis aerodinâmicos e composto um banco de dados com cerca de 1500 desses. Tais perfis tiveram suas coordenadas padronizadas e refinadas. Todos os perfis aerodinâmicos foram analisados através do método dos painéis utilizando o código XFOIL. Utilizando os algoritmos evolucionários AGEMOEA, ARMOEA, MSOPSII, NSGAII e NSGAIIARSBX presentes na plataforma de otimização PlatEMO acoplada ao programa de análise de hélices JAVAPROP, além do acoplamento de um código de análise estrutural, foram realizadas otimizações para diferentes objetivos. Esse conjunto de elementos foi adicionado ao PlatEMO como um problema e batizado de OptProp. Inicialmente, foram realizadas análises levando em conta apenas os parâmetros adimensionais das hélices, através de sete diferentes problemas de otimização multiobjetivo para dois diferentes grupos motopropulsores. Em seguida, é realizada uma otimização que busca a minimização da potência requerida para dois diferentes pontos de voo e uma hélice é selecionada da frente de Pareto obtida. Com tal hélice selecionada, busca-se uma otimização operacional para uma determinada missão através da variação da velocidade rotacional do conjunto motopropulsor. Em todas as otimizações são consideradas restrições geométricas e, na otimização operacional, é utilizado também restrições estruturais através de frequências naturais e diagrama de Campbell. Foram encontrados economias de energia próximas de 1, 4% após a otimização operacional. |
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Com o avanço de novas técnicas de manufatura, descoberta e desenvolvimento de novos materiais e ampliação das capacidades computacionais surgem novas oportunidades de estudo no campo da engenharia aeronáutica. O presente trabalho propõe a elaboração de uma nova metodologia a ser utilizada no projeto e otimização de hélices, bem como os algoritmos e acoplamentos necessários. Foi realizada uma busca por perfis aerodinâmicos e composto um banco de dados com cerca de 1500 desses. Tais perfis tiveram suas coordenadas padronizadas e refinadas. Todos os perfis aerodinâmicos foram analisados através do método dos painéis utilizando o código XFOIL. Utilizando os algoritmos evolucionários AGEMOEA, ARMOEA, MSOPSII, NSGAII e NSGAIIARSBX presentes na plataforma de otimização PlatEMO acoplada ao programa de análise de hélices JAVAPROP, além do acoplamento de um código de análise estrutural, foram realizadas otimizações para diferentes objetivos. Esse conjunto de elementos foi adicionado ao PlatEMO como um problema e batizado de OptProp. Inicialmente, foram realizadas análises levando em conta apenas os parâmetros adimensionais das hélices, através de sete diferentes problemas de otimização multiobjetivo para dois diferentes grupos motopropulsores. Em seguida, é realizada uma otimização que busca a minimização da potência requerida para dois diferentes pontos de voo e uma hélice é selecionada da frente de Pareto obtida. Com tal hélice selecionada, busca-se uma otimização operacional para uma determinada missão através da variação da velocidade rotacional do conjunto motopropulsor. Em todas as otimizações são consideradas restrições geométricas e, na otimização operacional, é utilizado também restrições estruturais através de frequências naturais e diagrama de Campbell. Foram encontrados economias de energia próximas de 1, 4% após a otimização operacional.Currently, concerns about energy efficiency, sustainability, and the environment are growing, as proposed by the UN through The Global Goals (Goal 9 - Industry, Innovation and Infrastructure), and the search for new, more efficient, and cleaner solutions is notorious in all engineering fields. With the advancement of new manufacturing techniques, discovery and development of new materials, and expansion of computational capabilities, new opportunities for study in the field of aeronautical engineering arise. The present work proposes the elaboration of a new methodology to be used in the design and optimization of propellers, as well as the algorithms and couplings necessary for its accomplishment. During the work, a search was made for aerodynamic profiles, and a database was created with about 1500 of these. Such profiles had their coordinates standardized and refined. All airfoils were analyzed using panel methods through the XFOIL code. Using the evolutionary algorithms AGEMOEA, ARMOEA, MSOPSII, NSGAII, and NSGAIIARSBX present in the PlatEMO optimization platform coupled to the propeller analysis program JAVAPROP, in addition to the coupling of a structural analysis code, optimizations were performed for different objectives. This set of elements was added to PlatEMO as a problem and named OptProp. Initially, analyzes were carried out taking into account only the dimensionless parameters of the propellers, through seven different multi-objective optimization problems for two different powertrain groups. Then, an optimization is performed to minimize the power required for two different flight points and a propeller is selected from the Pareto front obtained. With such a propeller established, operational optimization is sought for a given mission by varying the rotational speed of the system. In all optimizations, geometric constraints are considered, and, in operational optimization, structural constraints through natural frequencies and the Campbell diagram are also used. Energy savings close to 1.4% were found after operational optimization.CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorengUniversidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)Programa de Pós-graduação em Modelagem ComputacionalUFJFBrasilICE – Instituto de Ciências ExatasAttribution 3.0 Brazilhttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRAHélicesOtimizaçãoAerodinâmicaDesempenhoBEMTCFDAnálise estruturalAlgoritmos evolucionáriosPropellersOptimizationAerodynamicsPerformanceStructural analysisEvolutionary algorithmsOptimizing propeller performance: a comprehensive constrained multi-objective design approach using blade element theory and evolutionary algorithmsinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisreponame:Repositório Institucional da UFJFinstname:Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)instacron:UFJFORIGINALnicolaslimaoliveira.pdfnicolaslimaoliveira.pdfapplication/pdf7011632https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/15926/1/nicolaslimaoliveira.pdffef24404556a74ed2a3b45ff8fd159c4MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8914https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/15926/2/license_rdf4d2950bda3d176f570a9f8b328dfbbefMD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81748https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/15926/3/license.txt8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33MD53TEXTnicolaslimaoliveira.pdf.txtnicolaslimaoliveira.pdf.txtExtracted texttext/plain235236https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/15926/4/nicolaslimaoliveira.pdf.txtf80230399f3f7753c668ce66d10094e5MD54THUMBNAILnicolaslimaoliveira.pdf.jpgnicolaslimaoliveira.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1184https://repositorio.ufjf.br/jspui/bitstream/ufjf/15926/5/nicolaslimaoliveira.pdf.jpgbdd2c919d0d081f72a013649423350baMD55ufjf/159262023-09-23 03:04:57.32oai:hermes.cpd.ufjf.br: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Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.ufjf.br/oai/requestopendoar:2023-09-23T06:04:57Repositório Institucional da UFJF - Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)false |
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