SIMULATION DES HELICES

[jlc]

Objectifs:
- Estimer les performances des hélices depuis leur formes (taille, pas, vrillage etc.):
Poussée, couple, rendement.
A partir de là on peut associer une motorisation adaptée.
- Repérer les zones de turbulence et visualiser la traînée (forces qui s'opposent au mouvement)
- Analyser la traînée sur la coque d'un navire pour améliorer son hydrodynamique.

Outils:
- Autodesk / 3D fusion pour le dessin 3D
- Simscale pour la simulation
Les deux ont une inscription gratuite pour le modéliste.
Des modèles d'hélice paramétrées format Autodesk seront téléchargeables et modifiables.
Un lien vers le modèle paramétré de simulation sur Simscale sera donné.

Documents de travail:

PROPS3D.jpg (53.96 Kio) Vu 1272 fois

-Fichiers sources 3D fusion
helice#1 (prop1)

prop1.f3d

(544.59 Kio) Téléchargé 150 fois

helice#3 (prop3)

prop3.f3d

(447.58 Kio) Téléchargé 125 fois

helice#4 (prop4)

prop4.f3d

(5.57 Mio) Téléchargé 121 fois

torpille

torp_simu2.f3d

(1.55 Mio) Téléchargé 124 fois

-Liens des simulations
(se créer un compte Simscale et copier le projet dans son compte)
hélices: https://www.simscale.com/workbench/?pid ... 9471646913
torpille: https://www.simscale.com/workbench/?pid ... 9572357490



-Feuille de calcul du rendement avec resultats

rendement.xlsx

(210.72 Kio) Téléchargé 126 fois

-Vidéos et tutoriels
How to Optimize a Propeller or Fan Design | SimScale Webinar
https://www.youtube.com/watch?v=V7uYORB116k

Analyse des formules de rendement et position du problème
https://www.researchgate.net/publicatio ... a/download

Paramétrage
https://www.simscale.com/drone-simulati ... ing-zones/
https://www.simscale.com/docs/simulatio ... arametric/
https://www.simscale.com/knowledge-base ... -analysis/
https://www.simscale.com/docs/tutorials ... conditions
https://www.simscale.com/knowledge-base ... imulation/

007 car simulation
https://www.simscale.com/projects/pfern ... et_nellie/

Simulation d'un modèle réduit de torpille MK3 (document confidentiel armée US classifié 1965)
https://authors.library.caltech.edu/57980/1/E-78.1.pdf

-Historique des conversations avec le staff technique Simscale pour ceux qui en feront la demande

Plan
- Présentation de la simulation de 3 formes d'hélices (bipale, tripale, quadripale) avec des pas différents en vue de motorisation
de la torpille radio commandée
- Simulation hélice seule et hélice carénée sur corps de torpille
- analyse hydrodynamique du corps de la torpille
On commencera par commenter les résultats.
Dans un second temps, un tutoriel d'utilisation de Simscale sera présenté

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RÉSULTATS ET INTERPRÉTATION

Simulation de dynamique des fluides numérique (CFD).
Mode 'steady state' c'est à dire sur obtention d'un état d'équilibre.
La vitesse de rotation de l'hélice est entrée dans <Simulation_name>/Advanced concepts/MRF rotating zone (en radians/s)
Le sens de rotation est défini par la règle du pouce: celui ci pointe dans le sens de l'axe à +1 ou -1,
les 4 autres doigts pliés indiquent le sens de rotation.
Le mode de simulation peut être actif ou passif à l’intérieur de la boite de simulation (bounding volume).

Actif: <Simulation_name>/Boundary conditions aura une pression d'entrée (pressure inlet) et de sortie (pressure outlet) nulles
Cela signifie que l'eau est immobile mais que l'hélice tourne activement. On va donc observer la vitesse du flux d'eau derrière l'hélice.
C'est une simulation statique mais elle permet d'estimer le point haut du rendement en fonction de la vitesse de rotation.

Passif: <Simulation_name>/Boundary conditions aura une vitesse d'entrée v (velocity inlet) en m/s; il n'y a pas de pression d'entrée
Le bateau et son hélice sont immobiles mais sa vitesse relative par rapport au liquide est v
L'hélice est entraînée passivement par le liquide et se met à tourner à r radians/s
v et r sont entrées, elles ne sont pas calculées. Si elle sont sous ou sur estimées, le rendement pourra être négatif ou supérieur à 100% ou incohérent.
Ce mode va montrer toutes les zones présentant un défaut hydrodynamique mais ne permet pas de calculer la zone de rendement maximum.

Voici comment remplir la feuille de calcul:
RPM tours/mn en commentaire
thrust: poussée image p3_r4 en N
Diamètre hélice et densité eau: l'équation en est en fait indépendante
Torque: couple en N.m inage p3_r5
rotational speed: entrer les RPM dans conversion divise par 60 -> révolutions pr seconde
Freestream: Z velocity image p3_r3

Maintenant regardons les données (rdt01):
le moteur 3 (p3) génère plus de poussée et de couple avec un meilleur rendement.
Sa plage d'utilisation optimale sera 5000-6000 t/mn à condition de trouver un moteur de 0.3 à 0.4 mN.m (3 à 4 g.cm)
dans cette plage. Le petit moteur pager chinois 6mm diamètre développe 5 g.cm à 3800 tours en charge à 3V(réduction 1:5)
Pour une charge inférieure à 5g.cm il devrait monter en tours, son maximum étant 6400 tours à vide à 3 V
Donc à tester à 3.7 V. La mesure de la vitesse de rotation de l'hélice sera faite par un tachymètre laser.
Une pale en peinture argentée, les autres en noir mat. Selon le résultat on pourra refaire l'hélice avec un pas différent
jusqu'à l'obtention d'un RPM dans l'eau au sommet de la courbe de rendement (image rdt02).
L'alternative est d'utiliser un moteur sans réduction qui fournira moins de couple mais plus de vitesse avec une autre hélice, par exemple
p1 entre 5000 et 7000 t/mn avec un moteur 6mm long.( p1 demande 3 fois moins de couple )
La partie non simulée est le comportement moteur/hélice avec v non nulle. Un moteur non réducté prendra plus de tours au besoin.

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rdt02.jpg (65.52 Kio) Vu 1260 fois

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p3_r2.jpg (44.12 Kio) Vu 1268 fois

p3_r3.jpg (120.64 Kio) Vu 1268 fois

p3_r4.jpg (87.52 Kio) Vu 1268 fois

p3_r5.jpg (52.68 Kio) Vu 1268 fois

p3_r6.jpg (54.05 Kio) Vu 1268 fois

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Nous allons voir maintenant la torpille entière en simulation passive.
Le flux d'eau est imposé à 2 m/s, la torpille immobile, l'hélice tourne entraînée par le flux.
Normalement il faudrait reporter les données réelles c'est à dire avoir mesuré la vitesse de la torpille (2m/s)
et celle de l’hélice (5000 tours/mn)
Un objet parfaitement hydrodynamique aurait toutes les zones en vert = 2m/s = vitesse du flux.
Tout ce qui est inférieur (en bleu) = la traînée = frein.
Il faut donc l’éliminer au maximum.
1) zone avant: une première simulation avec une tête ronde augmente beaucoup la traînée.
La tête conique l'améliore considérablement.
2) le corps doit être le plus lisse possible (liseré bleu à son contact)
3) la queue doit être effilée pour améliorer l'entrée d'eau dans le tunnel et le cylindre d'entrée au diamètre max(voir torp_r5)
4) la fuite de l’hélice doit être effilée et enlever le stabilisateur horizontal (ne laisser que la dérive) pour diminuer
la grosse traînée bleue (torp_r5).

torp_r1.jpg (98.86 Kio) Vu 1259 fois

torp_r2.jpg (168.52 Kio) Vu 1259 fois

torp_r3.jpg (60.64 Kio) Vu 1259 fois

torp_r4.jpg (82.03 Kio) Vu 1259 fois

torp_r5.jpg (106.3 Kio) Vu 1259 fois