Enhanced general procedures for optimal design of aircraft propellers

The objective of the present analysis is to develop a formulation that would help in the early design phase of a propeller, starting from a previous research performed by De Zubeldia in his M.Sc. thesis, in an attempt, which proved to be successful, to improve it and expand its possibilities. Propeller's performance is computed applying the Blade Element Momentum Theory (BEMT). Aerodynamic database (needed to apply BEMT) includes NACA16-012, RAF-6, Clark-Y and NACA0012 airfoils. Thanks to a reliability study of XFOIL performed through a comparison with results coming from CFD simulations within OpenFOAM libraries, it was possible to adopt it software up to a Mach number of 0.6. Additionally, in the present formulation have been considered rotational effects in aerodynamic coefficients, which, particularly for high angles of attack, are greatly affected by those effects and can vary considerably. To achieve this, Chaviaropoulos and Hansen model has been applied. Thereafter, this new formulation has been implemented in MATLAB environment presenting two principal work modalities: (i) performance computation for a given geometry and (ii) geometry optimization. In this way, several numerical studies have been performed.

Il presente elaborato ha come oggetto lo sviluppo di una metodologia che permette di svolgere un progetto ottimo e analisi di prestazione di eliche, prendendo le mosse da quella precedentemente sviluppata da De Zubeldia, nell'intento, andato a buon fine, di migliorarla ed ampliarne le possibilità. Il calcolo delle prestazioni viene svolto applicando la teoria del momento dell'elemento di pala (BEMT). Il database aerodinamico (necessario per l'adozione del BEMT) include i profili NACA16-012, RAF-6, Clark-Y e NACA0012. Grazie ad uno studio di affidabilità di XFOIL tramite il confronto con i risultati provenienti da CFD per mezzo delle librerie di OpenFOAM, è stato possibile utilizzarlo fino a un numero di Mach pari a 0.6. Nella presente formulazione sono stati inoltre inclusi gli effetti rotazionali nei coefficienti aerodinamici, i quali, specie ad alti angoli di incidenza, risentono molto di tali effetti e possono variare in maniera considerevole. Per farlo è stato adottato il modello proposto da Chaviaropoulos e Hansen. In seguito, questa nuova formulazione è stata implementata in MATLAB presentando due modalità principali di funzionamento: (i) calcolo delle prestazioni per una geometria data e (ii) ottimizzazione della geometria. In questo modo, è stato possibile svolgere diversi tipi di studi numerici.