Ottimizzazione di eliche usando il metodo Vortex-Lattice.

Abstract

L’obiettivo di questo studio è creare un programma basato su Python che utilizzi il metodo vortex-lattice per migliorare l’efficienza delle eliche marine, mirando a ottenere una spinta specifica. La distribuzione ottimale della circolazione è determinata risolvendo un problema variazionale in cui la coppia dell’elica è minimizzata per una data spinta. In questo metodo, la distribuzione continua della circolazione è discretizzata, consentendo la soluzione diretta del problema senza dipendere dalle ipotesi della teoria classica. A differenza di Kerwin et al., che hanno utilizzato un modello a linea portante per l’elica, questo studio utilizza il metodo vortex-lattice, consentendo l’integrazione dell’intera pala nell’ottimizzazione. L’utilizzo del metodo vortex-lattice comporta la rappresentazione della pala dell’elica con una griglia di pannelli quadrilateri con circolazione costante, risultando in vortici a ferro di cavallo che seguono traiettorie elicoidali. Lo studio ha confrontato le prestazioni di quattro eliche, ciascuna con Skew e Rake indotti da Skew, sistematicamente variati, della serie di eliche David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center (DTNSRDC), con i risultati di Olsen (2001)Il confronto è risultato molto soddisfacente e ha rivelato una tendenza coerente nei risultati. In conclusione, questo studio presenta un approccio per ottimizzare la distribuzione della circolazione lungo una pala d’elica, sfruttando il metodo vortex-lattice, per andare oltre i limiti della teoria classica.

The aim of this study is to create a Python-based program utilizing the vortex lattice method to enhance the efficiency of marine propellers while achieving a specified thrust. The optimization procedure consists of solving a variational problem where the torque applied to the propeller is minimized for a given propeller thrust. In this method, the approach involves discretizing the continuous distribution of circulation, which allows for a direct solution to the problem without relying on classical theory assumptions. Unlike Kerwin et al., who employed a lifting line model for the propeller, this study utilizes the vortex lattice method. This method enables the integration of the entire blade’s impact into the optimization process. The vortex lattice method entails representing the propeller blade with a grid of quadrilateral panels, each with constant circulation. The study compared the performance of four propellers, each with systematically varied skew and skew-induced rake, from the David W. Taylor Naval Ship Research and Development Center (DTNSRDC) series against the findings of Olsen (2001) [4]. This comparison was found to be highly satisfactory, revealing a consistent trend in the results. In conclusion, this study presents an approach to optimizing the distribution of circulation along a propeller blade, leveraging the vortex lattice method to extend beyond the confines of classical theory.