بهینه سازی هندسه دهانه ورودی S-شکل باهدف کاهش افت فشار کل و بهبود یکنواختی جریان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده

دهانه ورودی به بخشی از هواپیما گفته می‌شود که وظیفه تأمین هوای موتور به صورت یکنواخت و با حداقل افت فشار کل را عهده‌دار است. امروزه با توجه به کاربردهای فراوان دهانه‌های ورودی S-شکل، بهینه‌سازی این دهانه‌ها موردتوجه قرار گرفته است. این مسئله ازآن جهت اهمیت دارد که توزیع یکنواخت جریان در ورودی کمپرسور، تأثیر مستقیم بر عملکرد موتور داشته و عدم یکنواختی جریان در ورودی احتمال سرج کمپرسور را افزایش می‌دهد. از طرف دیگر جدایش در طول دهانه جریان موجب کاهش بازیابی فشار و در نتیجه کاهش نیروی پیشرانش موتور می‌شود. در این مقاله یک مجرای S-شکل باهدف کاهش افت فشار کل و کاهش اعوجاج جریان بهینه‌سازی شده است. به منظور بهینه‌سازی، الگوریتم ژنتیک و شبکه عصبی کوپل شده‌اند تا اهداف موردنظر در کوتاه‌ترین زمان ممکن حاصل شوند. دراین مقاله دو بهین هسازی با شرایط مختلف انجام شده است. در بهین هسازی اول، با تغییر مختصات خط مرکزی و نسبت مساحت مقاطع، هندسه‌های جدید تولیدشده است. تجزیه وتحلیل انجام شده در بهینه‌سازی اول موجب بهبود % 5/ 32 ضریب بازیابی فشار و کاهش % 8/ 35 اعوجاج شده است. در بهینه‌سازی دوم علاوه بر مختصات خط مرکزی و نسبت مساحت مقاطع، طول دهانه نیز کاهش یافته است. کاهش طول دهانه از طرفی موجب کاهش وزن وسیله پرنده شده و از طرف دیگر فضای مفید داخل بدنه را افزایش می‌یابد. این بهینه‌سازی بهبود % 96 / 35 ضریب بازیابی فشار، کاهش % 4/ 39 اعوجاج و کاهش % 25 طول دهانه را به همراه داشته است. دلیل اصلی این میزان بهبود، کاهش اصطکاک دیواره‌ها ناشی از کاهش طول مجرا می‌باشد

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Optimization of S-Shaped Inlet Diffuser for Improvement of Total Pressure Loss and Flow Uniformity

نویسندگان [English]

  • Seyed Hamidreza Sadatpour
  • Ali Madadi
Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The intake is a part of the aero engine, which provides air to the compressor uniformly and with a minimum total pressure loss. Today, due to the abundant application of S-shaped inlets, optimization of these diffusers has been considered by many researchers. The uniform distribution of the flow at the inlet of the compressor has a direct effect on engine performance. On the other hand, the flow separation through the duct reduces the pressure recovery and the engine thrust. In this article, an S-duct intake has been optimized to reduce the total pressure loss and flow distortion. The neural network, coupled with the genetic algorithm, is used to optimize the objective functions in the shortest possible time. Two optimization cases have been done. In the first case, new geometries have been generated by changing the centerline coordinate and the cross-sectional area ratios. The first optimization results in an enhancement of 32.5% for the pressure recovery coefficient and a reduction of 35.8% for flow distortion. In the second optimization, the length of the duct has also been decreased. By decreasing the length of the duct, the weight of the aerial vehicle is reduced, and on the other hand, the useful space inside the body is increased. This optimization gave an enhancement of 35.96% for pressure recovery coefficient and a reduction of 39.4% for flow distortion and a 25% reduction in the duct length.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Intake
  • genetic algorithm
  • Neural Network
  • Flow uniformity
  • Pressure recovery
[1]    J.R. Weske, Pressure loss in ducts with compound elbows, (1943).
[2]    P. Bansod, P. Bradshaw, The flow in S-shaped ducts, The Aeronautical Quarterly, 23(2) (1972) 131-140.
[3]    S. Wellborn, B. Reichert, T. Okiishi, An experimental investigation of the flow in a diffusing S-duct, in: 28th joint propulsion conference and exhibit, 1992, pp. 3622.
[4]    C. Fiola, R.K. Agarwal, Simulation of Secondary and Separated Flow in a Diffusing S-Duct, in: 52nd Aerospace Sciences Meeting, 2014, pp. 0561.
[5]    E. Manca, Unsteady Aerodynamic investigation of the flow within an optimized S-duct intake, Cranfield University : MSc Thesis (2016).
[6]    F. Furlan, N. Chiereghin, T. Kipouros, E. Benini, M. Savill, Computational design of S-Duct intakes for distributed propulsion, Aircraft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, 86(6) (2014) 473-477.
[7]  A. Rigobello, A Multi-objective shape optimization of an S-Duct intake through NSGA-II genetic algorithm, (2016).
[8]  A. Madadi, M. Kermani, M. Nili-Ahmadabadi, Aerodynamic design of S-Shaped diffusers using ball– spine inverse design method, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 136(12) (2014) 122606.
[9]  N. Chiereghin, L. Guglielmi, A.M. Savill, T. Kipouros, E. Manca, A. Rigobello, M. Barison, E. Benini, Shape optimization of a curved duct with free form deformations, in: 23rd AIAA Computational Fluid Dynamics Conference, 2017, pp. 4114.
[10]  E. Immonen, Shape optimization of annular S-ducts by CFD and high-order polynomial response surfaces, Engineering Computations, 35(2) (2018) 932-954.
[11]  W. Gan, X. Zhang, Design optimization of a three- dimensional diffusing S-duct using a modified SST turbulent model, Aerospace Science and Technology, 63 (2017) 63-72.
[12]  J. Seddon, E.L. Goldsmith, Intake aerodynamics: An account of the mechanics of flow in and around the air intakes of turbine-engined and ramjet aircraft and missiles, Collins London, 1985.
[13]    E. Saadati , M. Zeynolabedini Preliminary and Advanced Simulation Principles of Computational Fluid Dynamics Using FLUENT and CFX Software, Ptec Engineering Services Company, (2016) , (In Persian).