Published February 27, 2023
| Version v1
Publication
Open
Optimal shape design of an airship based on geometrical aerodynamic parameters
- 1. German University in Cairo
- 2. Cairo University
Description
Abstract Background Conventional airship mathematical modeling usually involves six coupled degrees of freedom and two inputs, namely tail and thrust. The current study focuses on aerodynamic modeling. The aerodynamic model is developed in 3D-space based on plane semi-empirical model of a symmetric airship. The model depends on the main geometrical parameters of the airship. The study introduces an optimal shape design of the airship. The objective function is established to reduce drag and the effect of side flow and increases both lift force and pitching moment. Three types of airship shape construction are investigated, namely NPL, GNVR, and Wang. Results MATLAB genetic algorithm toolbox is used to obtain the optimal shape. The population size is 50 and the number of generations is also 50 for NPL, GNVR and Wang shapes at each corresponding angle of attack $$(\alpha =\left[ -20^\circ ,20^\circ \right] )$$ ( α = - 20 ∘ , 20 ∘ ) and side-slip angle $$(\beta =\left[ -20^\circ ,20^\circ \right] )$$ ( β = - 20 ∘ , 20 ∘ ) . The shapes are compared to select the best fit within the operating range. To get the optimal shape, weighted averaging is performed on the optimal solution. Conclusion The GNVR geometric construction technique is the best method to generate the optimum shape of the airship in the presence of side-slip angle effect with the utilized objective function that reduces drag and side flow and increases lift and pitching moment.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
خلفية مجردة عادة ما تتضمن النمذجة الرياضية التقليدية للمنطاد ست درجات مقترنة من الحرية ومدخلين، وهما الذيل والدفع. تركز الدراسة الحالية على النمذجة الديناميكية الهوائية. تم تطوير النموذج الديناميكي الهوائي في الفضاء ثلاثي الأبعاد بناءً على نموذج شبه تجريبي مستوٍ لمنطاد هوائي متماثل. يعتمد النموذج على المعلمات الهندسية الرئيسية للمنطاد. تقدم الدراسة تصميم الشكل الأمثل للمنطاد الهوائي. تم إنشاء وظيفة الهدف لتقليل السحب وتأثير التدفق الجانبي وزيادة كل من قوة الرفع وعزم الميل. يتم التحقيق في ثلاثة أنواع من بناء شكل المنطاد، وهي NPL و GNVR و Wang. يستخدم صندوق أدوات الخوارزمية الوراثية MATLAB للحصول على الشكل الأمثل. حجم السكان هو 50 وعدد الأجيال هو أيضًا 50 لأشكال NPL و GNVR و Wang عند كل زاوية هجوم مقابلة $$(\ alpha =\left [-20 ^\ circ ,20 ^\ circ \right ])$( α = -20 Ω, 20 Ω) وزاوية الانزلاق الجانبي $$(\ beta =\left [-20 ^\ circ ,20 ^\ circ \right ])$( β = -20 تتم مقارنة الأشكال لتحديد الأنسب ضمن نطاق التشغيل. للحصول على الشكل الأمثل، يتم إجراء المتوسط المرجح على الحل الأمثل. الاستنتاج تقنية البناء الهندسي GNVR هي أفضل طريقة لتوليد الشكل الأمثل للمنطاد في وجود تأثير زاوية الانزلاق الجانبي مع الوظيفة الموضوعية المستخدمة التي تقلل من السحب والتدفق الجانبي وتزيد من عزم الرفع والرمي.Translated Description (French)
Résumé Contexte La modélisation mathématique conventionnelle des dirigeables implique généralement six degrés de liberté couplés et deux entrées, à savoir la queue et la poussée. La présente étude se concentre sur la modélisation aérodynamique. Le modèle aérodynamique est développé dans l'espace 3D sur la base d'un modèle semi-empirique plan d'un dirigeable symétrique. Le modèle dépend des principaux paramètres géométriques du dirigeable. L'étude présente une conception de forme optimale du dirigeable. La fonction objectif est établie pour réduire la traînée et l'effet du flux latéral et augmente à la fois la force de levage et le moment de tangage. Trois types de construction de forme de dirigeable sont étudiés, à savoir NPL, GNVR et Wang. La boîte à outils de l'algorithme génétique Results Matlab est utilisée pour obtenir la forme optimale. La taille de la population est de 50 et le nombre de générations est également de 50 pour les formes NPL, GNVR et Wang à chaque angle d'attaque correspondant $$(\alpha =\left[ -20^\circ ,20^\ circ \right] )$$ ( α = - 20 ∘ , 20 ∘ ) et angle de dérapage latéral $$(\beta =\left[ -20^\circ ,20^\circ \right] )$$ ( β = - 20 ∘ , 20 ∘ ) . Les formes sont comparées pour sélectionner le meilleur ajustement dans la plage de fonctionnement. Pour obtenir la forme optimale, un moyennage pondéré est effectué sur la solution optimale. Conclusion La technique de construction géométrique GNVR est la meilleure méthode pour générer la forme optimale du dirigeable en présence d'un effet d'angle de glissement latéral avec la fonction d'objectif utilisée qui réduit la traînée et le flux latéral et augmente la portance et le moment de tangage.Translated Description (Spanish)
Antecedentes El modelado matemático convencional de aeronaves generalmente implica seis grados de libertad acoplados y dos entradas, a saber, cola y empuje. El presente estudio se centra en la modelización aerodinámica. El modelo aerodinámico se desarrolla en 3D-espacio a partir del modelo plano semi-empírico de un dirigible simétrico. El modelo depende de los principales parámetros geométricos de la aeronave. El estudio introduce un diseño de forma óptima de la aeronave. La función objetivo se establece para reducir la resistencia y el efecto del flujo lateral y aumenta tanto la fuerza de sustentación como el momento de cabeceo. Se investigan tres tipos de construcción en forma de dirigible, a saber, NPL, GNVR y Wang. Resultados La caja de herramientas del algoritmo genético de MATLAB se utiliza para obtener la forma óptima. El tamaño de la población es de 50 y el número de generaciones también es de 50 para las formas NPL, GNVR y Wang en cada ángulo de ataque correspondiente $$(\alpha =\left[ -20^\circ ,20^\ circ \right] )$$ ( α = - 20 o , 20 o ) y ángulo de deslizamiento lateral $$(\beta =\left[ -20^\circ ,20^\circ \right] )$$ ( β = - 20 o , 20 o ) . Las formas se comparan para seleccionar el mejor ajuste dentro del rango de operación. Para obtener la forma óptima, se realiza un promedio ponderado en la solución óptima. Conclusión La técnica de construcción geométrica GNVR es el mejor método para generar la forma óptima de la aeronave en presencia del efecto de ángulo de deslizamiento lateral con la función objetivo utilizada que reduce la resistencia y el flujo lateral y aumenta el momento de elevación y cabeceo.Files
s43088-023-00352-1.pdf
Files
(3.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:b7aa3f5c5e139d19a75a8355e16af12d
|
3.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تصميم الشكل الأمثل للمنطاد الهوائي على أساس المعلمات الديناميكية الهوائية الهندسية
- Translated title (French)
- Conception de forme optimale d'un dirigeable basée sur des paramètres aérodynamiques géométriques
- Translated title (Spanish)
- Diseño de forma óptima de un dirigible basado en parámetros aerodinámicos geométricos
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4322495610
- DOI
- 10.1186/s43088-023-00352-1
References
- https://openalex.org/W1968836297
- https://openalex.org/W1969826591
- https://openalex.org/W1975855210
- https://openalex.org/W1981546112
- https://openalex.org/W2018578644
- https://openalex.org/W2053274482
- https://openalex.org/W2071183867
- https://openalex.org/W2125815466
- https://openalex.org/W2128852230
- https://openalex.org/W2153140232
- https://openalex.org/W2482626812
- https://openalex.org/W2810130126
- https://openalex.org/W2893582010
- https://openalex.org/W2997013879
- https://openalex.org/W3034456634
- https://openalex.org/W3173010120
- https://openalex.org/W3187608958
- https://openalex.org/W3201367976
- https://openalex.org/W35927507
- https://openalex.org/W4304191298
- https://openalex.org/W4310224719
- https://openalex.org/W601549641