Aerodynamisk Optimering av Dold Intagskanal för Flygplansmotor

An aerodynamic shape optimization procedure was performed on a low observable engineintake duct. The intake duct was fixed in its throat and aerodynamic interface plane (AIP)sections, while leaving up to 7 design parameters free to deformation in the centroid curveand mid section profile. The optimization setup consisted of an optimizer block implementedin MATLAB, where the NSGA-II optimization algorithm was implemented, and a simulationblock using computational fluid dynamics (CFD). The objective functions for the optimizationprocess were the pressure recovery and the DC60 distortion coefficient in the AIP section.In total, four optimizations with gradually increasing degrees of deformation were conducted.The first optimization process was a validation case, performed on a test duct design, whilethe remaining optimizations were performed using a duct designed by the Swedish DefenceResearch Agency (FOI) as a starting point, for cruise and take-off conditions. The connection of NSGA-II and the CFD setup proved useful, as the distortion was decreasedby up to 52.8% relative the original value while keeping the pressure recovery within 0.06% ofthe original duct. The algorithm was successful in finding an improvement for both consideredoperating conditions, with the largest improvement for the cruise case. In total 975 duct designswere evaluated in the four processes, using a uniform inflow boundary condition on a boundaryextruded one meter from the throat of the intake duct. The importance of the handling of non-converged solutions in the automated optimizationprocess was also pointed out, as an oscillating solution affected the third optimization, therebyrendering that solution useless.En aerodynamisk formoptimering av en insynsskyddad luftintagskanal för en stridsdrönaregenomfördes genom att koppla den genetiska optimeringsalgoritmen NSGA-II samt CFD i enautomatiserad process. Optimeringens två målfunktioner var att maximera tryckåtervinstenoch minimera flödesdistorsionen på AIP-randen. Luftintagskanalen som användes som basför optimeringen var fixerad vid inlopps- samt AIP-profilerna, medan deformation tilläts imellanliggande delar, styrt av upp till 7 styrparametrar. Den kanal som användes som bas föroptimeringsprocessen togs fram av FOI, Totalförsvarets Forskningsinstitut, i samband med ettNATO-STO projekt för den obemannade stirdsdrönaren MULDICON. Totalt genomfördes fyra optimeringsprocesser, där 975 kanaler evaluerades, varav den förstaoptimeringen skedde på en något modifierad test-kanal som verifikationssteg, medan de senareoptimeringarna skedde på FOI-kanalen. Två optimeringar genomfördes på marschhöjdsförhållanden på 11km höjd, medan resterande optimeringar genomfördes för start-förhållandenpå standard havsnivå. Metoden gav goda resultat, med maximalt 52,8% relativ minskning av flödesdistorsionenmedan tryckåtervinsten bibehölls inom 0.06% av ursprungliga värdet. Det framgick att metodengav störst förbättring för fallet vid marschhöjd, jämfört med originalkanalen. Det påpekades också att den implementerade metoden har begränsningar och är känslig förkraftiga separationer och flödesinstabiliteter, vilket kan skapa oscillationer i lösaren och därmedge falska resultat. Det påverkade den tredje optimeringsprocessen där den optimala lösningenvar okonvergerad, och därmed inte gav verklig förbättring av kanalens prestand

Aerodynamisk Optimering av Dold Intagskanal för Flygplansmotor

An aerodynamic shape optimization procedure was performed on a low observable engineintake duct. The intake duct was fixed in its throat and aerodynamic interface plane (AIP)sections, while leaving up to 7 design parameters free to deformation in the centroid curveand mid section profile. The optimization setup consisted of an optimizer block implementedin MATLAB, where the NSGA-II optimization algorithm was implemented, and a simulationblock using computational fluid dynamics (CFD). The objective functions for the optimizationprocess were the pressure recovery and the DC60 distortion coefficient in the AIP section.In total, four optimizations with gradually increasing degrees of deformation were conducted.The first optimization process was a validation case, performed on a test duct design, whilethe remaining optimizations were performed using a duct designed by the Swedish DefenceResearch Agency (FOI) as a starting point, for cruise and take-off conditions. The connection of NSGA-II and the CFD setup proved useful, as the distortion was decreasedby up to 52.8% relative the original value while keeping the pressure recovery within 0.06% ofthe original duct. The algorithm was successful in finding an improvement for both consideredoperating conditions, with the largest improvement for the cruise case. In total 975 duct designswere evaluated in the four processes, using a uniform inflow boundary condition on a boundaryextruded one meter from the throat of the intake duct. The importance of the handling of non-converged solutions in the automated optimizationprocess was also pointed out, as an oscillating solution affected the third optimization, therebyrendering that solution useless.En aerodynamisk formoptimering av en insynsskyddad luftintagskanal för en stridsdrönaregenomfördes genom att koppla den genetiska optimeringsalgoritmen NSGA-II samt CFD i enautomatiserad process. Optimeringens två målfunktioner var att maximera tryckåtervinstenoch minimera flödesdistorsionen på AIP-randen. Luftintagskanalen som användes som basför optimeringen var fixerad vid inlopps- samt AIP-profilerna, medan deformation tilläts imellanliggande delar, styrt av upp till 7 styrparametrar. Den kanal som användes som bas föroptimeringsprocessen togs fram av FOI, Totalförsvarets Forskningsinstitut, i samband med ettNATO-STO projekt för den obemannade stirdsdrönaren MULDICON. Totalt genomfördes fyra optimeringsprocesser, där 975 kanaler evaluerades, varav den förstaoptimeringen skedde på en något modifierad test-kanal som verifikationssteg, medan de senareoptimeringarna skedde på FOI-kanalen. Två optimeringar genomfördes på marschhöjdsförhållanden på 11km höjd, medan resterande optimeringar genomfördes för start-förhållandenpå standard havsnivå. Metoden gav goda resultat, med maximalt 52,8% relativ minskning av flödesdistorsionenmedan tryckåtervinsten bibehölls inom 0.06% av ursprungliga värdet. Det framgick att metodengav störst förbättring för fallet vid marschhöjd, jämfört med originalkanalen. Det påpekades också att den implementerade metoden har begränsningar och är känslig förkraftiga separationer och flödesinstabiliteter, vilket kan skapa oscillationer i lösaren och därmedge falska resultat. Det påverkade den tredje optimeringsprocessen där den optimala lösningenvar okonvergerad, och därmed inte gav verklig förbättring av kanalens prestand

Utvärdering av en endimensionell förlustmodell för kompressorn i ett turboaggregat

This report sets out to implement and asses a one-dimensional loss model for centrifugal compressors. The loss model which has been evaluated is the model by Oh et al. (1997) [1]. The implementation was completed using iterative methods implemented in Matlab. It was shown that the performance prediction using the Oh et al method produced usable estimates in the higher rotational speed region used in this work, at design conditions. The pressure ratio estimates had a difference compared to the measured reference data of 5-10% while the isentropic efficiency had slightly higher differences. Furthermore, it was shown that the best estimates of the pressure ratio came from the lowest rotational speeds, and successively flattened out from the expected curvature as the speed increased. The isentropic efficiency did not have the same property, giving the best consistent estimate at a higher rotational speed of 143 kRPM. The conclusion which was drawn from this work was that the model by Oh et al. is a useful model for prediction of performance at design points in the lower RPM region, while requiring complementary calculations at off-design conditions at high RPM. It was also pointed out that there are several areas that require further work within performance prediction to make it more implementation-friendly.Pålitliga och snabba endimensionella modeller för prediktering av prestanda för turbokompressorer är användbara för designprocessen av nya kompressorer, då numeriskt krävande CFD processer kan undvikas. En endimensionell modell utvärderades i detta arbete med syfte att avgöra hur väl denna förhåller sig till i förhand uppmätta referensvärden. Denna modell var framtagen av Oh et al. [1], och är en av de mest använda modellerna i den öppna litteraturen. Implementationen skedde med hjälp av Matlab genom att tillämpa iterativa processer, ty förlusterna som krävdes för att beräkna prestandan i stor grad berodde av utloppsegenskaperna, vilka söktes för att erhålla prestandan. Det visades att modellen av Oh et al visade överensstämmelse med uppmätt referensdata för tryckskillnaden framförallt vid låga varvtal, varefter predikteringens precision gradvis försämrades. Modellavvikelsen från referensdatan var för tryckpredikteringen mellan 5-10% medan spridningen avvikelsen var större för verkningsgraden. Även predikteringen av isentropisk verkningsgrad var representativ av verkligheten och visade liknande egenskaper som tryckskillnaden. Avvikelsen från referensdatan av verkningsgradens uppskattning ökade däremot inte med ökande varvtal, där bäst uppskattning nåddes vid medelhöga varvtal. Slutsatsen drogs att modellen av Oh et al gav en bra representation av de uppmätta värden och ansågs vara en bra modell för prediktion av prestanda för kompressorer vid designförhållanden, även för de signifikant högre varvtalen som behandlades i detta arbete än de som användes som grund till modellen enligt [1]. Det påpekades även att stora brister fanns inom denna del av prestandaprediktering, som kräver vidare arbete för att underlätta implementering och tillgängligheten för dessa modeller. Att komma fram till en metodik för implementation av modellerna bör kunna ha varit enklare om litteraturen i närmare detalj förklarade de steg som skall och bör ingå i utförandet

Utvärdering av en endimensionell förlustmodell för kompressorn i ett turboaggregat

This report sets out to implement and asses a one-dimensional loss model for centrifugal compressors. The loss model which has been evaluated is the model by Oh et al. (1997) [1]. The implementation was completed using iterative methods implemented in Matlab. It was shown that the performance prediction using the Oh et al method produced usable estimates in the higher rotational speed region used in this work, at design conditions. The pressure ratio estimates had a difference compared to the measured reference data of 5-10% while the isentropic efficiency had slightly higher differences. Furthermore, it was shown that the best estimates of the pressure ratio came from the lowest rotational speeds, and successively flattened out from the expected curvature as the speed increased. The isentropic efficiency did not have the same property, giving the best consistent estimate at a higher rotational speed of 143 kRPM. The conclusion which was drawn from this work was that the model by Oh et al. is a useful model for prediction of performance at design points in the lower RPM region, while requiring complementary calculations at off-design conditions at high RPM. It was also pointed out that there are several areas that require further work within performance prediction to make it more implementation-friendly.Pålitliga och snabba endimensionella modeller för prediktering av prestanda för turbokompressorer är användbara för designprocessen av nya kompressorer, då numeriskt krävande CFD processer kan undvikas. En endimensionell modell utvärderades i detta arbete med syfte att avgöra hur väl denna förhåller sig till i förhand uppmätta referensvärden. Denna modell var framtagen av Oh et al. [1], och är en av de mest använda modellerna i den öppna litteraturen. Implementationen skedde med hjälp av Matlab genom att tillämpa iterativa processer, ty förlusterna som krävdes för att beräkna prestandan i stor grad berodde av utloppsegenskaperna, vilka söktes för att erhålla prestandan. Det visades att modellen av Oh et al visade överensstämmelse med uppmätt referensdata för tryckskillnaden framförallt vid låga varvtal, varefter predikteringens precision gradvis försämrades. Modellavvikelsen från referensdatan var för tryckpredikteringen mellan 5-10% medan spridningen avvikelsen var större för verkningsgraden. Även predikteringen av isentropisk verkningsgrad var representativ av verkligheten och visade liknande egenskaper som tryckskillnaden. Avvikelsen från referensdatan av verkningsgradens uppskattning ökade däremot inte med ökande varvtal, där bäst uppskattning nåddes vid medelhöga varvtal. Slutsatsen drogs att modellen av Oh et al gav en bra representation av de uppmätta värden och ansågs vara en bra modell för prediktion av prestanda för kompressorer vid designförhållanden, även för de signifikant högre varvtalen som behandlades i detta arbete än de som användes som grund till modellen enligt [1]. Det påpekades även att stora brister fanns inom denna del av prestandaprediktering, som kräver vidare arbete för att underlätta implementering och tillgängligheten för dessa modeller. Att komma fram till en metodik för implementation av modellerna bör kunna ha varit enklare om litteraturen i närmare detalj förklarade de steg som skall och bör ingå i utförandet

Utvärdering av en endimensionell förlustmodell för kompressorn i ett turboaggregat

This report sets out to implement and asses a one-dimensional loss model for centrifugal compressors. The loss model which has been evaluated is the model by Oh et al. (1997) [1]. The implementation was completed using iterative methods implemented in Matlab. It was shown that the performance prediction using the Oh et al method produced usable estimates in the higher rotational speed region used in this work, at design conditions. The pressure ratio estimates had a difference compared to the measured reference data of 5-10% while the isentropic efficiency had slightly higher differences. Furthermore, it was shown that the best estimates of the pressure ratio came from the lowest rotational speeds, and successively flattened out from the expected curvature as the speed increased. The isentropic efficiency did not have the same property, giving the best consistent estimate at a higher rotational speed of 143 kRPM. The conclusion which was drawn from this work was that the model by Oh et al. is a useful model for prediction of performance at design points in the lower RPM region, while requiring complementary calculations at off-design conditions at high RPM. It was also pointed out that there are several areas that require further work within performance prediction to make it more implementation-friendly.Pålitliga och snabba endimensionella modeller för prediktering av prestanda för turbokompressorer är användbara för designprocessen av nya kompressorer, då numeriskt krävande CFD processer kan undvikas. En endimensionell modell utvärderades i detta arbete med syfte att avgöra hur väl denna förhåller sig till i förhand uppmätta referensvärden. Denna modell var framtagen av Oh et al. [1], och är en av de mest använda modellerna i den öppna litteraturen. Implementationen skedde med hjälp av Matlab genom att tillämpa iterativa processer, ty förlusterna som krävdes för att beräkna prestandan i stor grad berodde av utloppsegenskaperna, vilka söktes för att erhålla prestandan. Det visades att modellen av Oh et al visade överensstämmelse med uppmätt referensdata för tryckskillnaden framförallt vid låga varvtal, varefter predikteringens precision gradvis försämrades. Modellavvikelsen från referensdatan var för tryckpredikteringen mellan 5-10% medan spridningen avvikelsen var större för verkningsgraden. Även predikteringen av isentropisk verkningsgrad var representativ av verkligheten och visade liknande egenskaper som tryckskillnaden. Avvikelsen från referensdatan av verkningsgradens uppskattning ökade däremot inte med ökande varvtal, där bäst uppskattning nåddes vid medelhöga varvtal. Slutsatsen drogs att modellen av Oh et al gav en bra representation av de uppmätta värden och ansågs vara en bra modell för prediktion av prestanda för kompressorer vid designförhållanden, även för de signifikant högre varvtalen som behandlades i detta arbete än de som användes som grund till modellen enligt [1]. Det påpekades även att stora brister fanns inom denna del av prestandaprediktering, som kräver vidare arbete för att underlätta implementering och tillgängligheten för dessa modeller. Att komma fram till en metodik för implementation av modellerna bör kunna ha varit enklare om litteraturen i närmare detalj förklarade de steg som skall och bör ingå i utförandet