Optimizing propeller performance: a comprehensive constrained multi-objective design approach using blade element theory and evolutionary algorithms

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Oliveira, Nícolas Lima
• Orientador(a): Hallak, Patrícia Habib
• Banca de defesa: Fonseca, Leonardo Goliatt da , Kyprianidis, Konstantinos, Vouros, Stavros, Loureiro, Felipe dos Santos
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: eng
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
• Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Hélices; Otimização; Aerodinâmica; Desempenho; BEMT; CFD; Análise estrutural; Algoritmos evolucionários; Propellers; Optimization; Aerodynamics; Performance; Structural analysis; Evolutionary algorithms
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
• Link de acesso: https://doi.org/10.34019/ufjf/te/2023/00117; https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/15926

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.