دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

بهینه‌سازی آیرودینامیکی و مدل‌سازی جایگزین مبتنی بر یادگیری ماشین از یک سیستم پیشرانش سیالی اثر کواندا برای کاربردهای پهپاد بدون سرنشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد واحد تهران شمال
2 مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران
3 دانشکده فنی مهندسی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
چکیده
در این پژوهش، یک چارچوب داده‌محور برای تحلیل پارامتریک، مدل‌سازی جایگزین مبتنی بر یادگیری ماشین و بهینه‌سازی چندهدفه یک سیستم پیشرانش سیالی مبتنی بر اثر کواندا برای کاربردهای پهپادی ارائه شده است. پایگاه داده شامل ۱۸۹۰ نقطه طراحی با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent و مدل آشفتگی تحقق‌پذیر k-ε تولید شد. شش الگوریتم یادگیری ماشین با استفاده از ده ویژگی مهندسی‌شده فیزیکی برای پیش‌بینی شاخص‌های عملکرد پیشرانش آموزش داده شدند. مدل XGBoost با ضریب تعیین ۰/۹۹۲۸ برای نسبت تخلیه و مدل پرسپترون چندلایه (MLP) با ضریب تعیین ۰/۹۹۶۸ برای نیروی رانش، بهترین عملکرد را نشان دادند. تحلیل حساسیت جینی نشان داد که شعاع داخلی با سهم ۷۲ درصدی بیشترین تأثیر را بر نسبت تخلیه، در حالی که دبی جرمی ورودی با سهم ۳۰ درصدی نقش مهمی در تولید نیروی رانش دارد. بهینه‌سازی چندهدفه با استفاده از الگوریتم NSGA-III، جبهه پارتو میان تقویت جریان و نیروی رانش را استخراج کرد و پیکربندی‌هایی با رانش تا ۳۲ نیوتن در دبی جرمی ۱۰۰ گرم بر ثانیه شناسایی شدند. نتایج نشان داد که سیستم پیشرانش بهینه‌شده قادر است ۸۷ درصد رانش نازل همگرا-واگرای معادل را با ۲۵ دسی‌بل کاهش سطح نویز و ۴۵ درصد کاهش سرعت خروجی تأمین کند. این نتایج نشان‌دهنده ظرفیت سیستم‌های پیشرانش سیالی مبتنی بر اثر کواندا برای توسعه سامانه‌های پیشرانش کم‌صدا و مناسب برای کاربردهای پهپادی است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Aerodynamic Optimization and Machine Learning-Based Surrogate Modeling of a Coanda-Effect Fluidic Propulsion System for UAV Applications

نویسندگان English

Rezaeian Abhar Amirhosssein 1
jamasb pirkandi 2
Zahra poolaei Moziraji 3
Payam Jalili 3
1 department of Mechanical engineering, Islamic Azad university Tehran North branch
2 Faculty of Aerospace, Malek Ashtar University of Technology, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, NT.C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, a data-driven framework for parametric analysis, machine learning-based alternative modeling, and multi-objective optimization of a fluid propulsion system based on the Coanda effect for UAV applications is presented. A database of 1890 design points was generated using ANSYS Fluent software and the k-ε realizable turbulence model. Six machine learning algorithms were trained using ten physically engineered features to predict propulsion performance indices. The XGBoost model with a coefficient of determination of 0.9928 for the discharge ratio and the Multilayer Perceptron (MLP) model with a coefficient of determination of 0.9968 for the thrust showed the best performance. Gini sensitivity analysis showed that the inner radius with a 72% contribution has the greatest impact on the discharge ratio, while the inlet mass flow rate with a 30% contribution plays an important role in the thrust generation. Multi-objective optimization using the NSGA-III algorithm extracted the Pareto front between flow enhancement and thrust, and configurations with thrust up to 32 N at a mass flow rate of 100 g/s were identified. The results showed that the optimized propulsion system is able to provide 87% of the equivalent convergent-divergent nozzle thrust with a 25 dB reduction in noise level and a 45% reduction in exit velocity. These results demonstrate the potential of fluid propulsion systems based on the Coanda effect for the development of low-noise propulsion systems suitable for UAV applications.

کلیدواژه‌ها English

Fluid propulsion
Coanda effect
Thrust
Machine learning
Bladeless Drone

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 20 مهر 1405