Návrh a optimalizace geometrie obvodově hnaného pohonu vodního dronu
Loading...
Date
Authors
Jakuš, Tomáš
ORCID
Advisor
Referee
Mark
A
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Práca sa zaoberá návrhom a optimalizáciou vodného pohonného systému špecializovaného na pohon bezpilotných podvodných dronov. Geometria bola inšpirovaná dvoma pokrokovými prístupmi k návrhu lodných lopatiek a to konkrétne toroidnými a obvodovo hnanými lopatkami. Práca navrhuje využiť geometriu zjednocujúcu tieto dva prístupy s cieľom zjednotiť výhody jednotlivých dizajnov v jedinečnom lodnom šróbe ktorý by bol schopný minimalizovať vznik vírivých štruktúr na špičke lopatky ako aj zjednodušiť komplexitu zostavy pohonu. Výskum sa najprv venuje teoretickej rozprave o návrhu vodných lopatiek a faktorom podmieňujúcim ich funkciu a tvar. Po dôkladnej analýze prúdenia v lopatkovej mreži je odvodený analytický model slúžiaci na odhad ťahu a momentu (ergo účinnosti) návrhu nového tvaru lopatiek. Pre zjednodušenie výrazov je geometria opísaná množinou bezrozmerných parametrov ktoré jednoznačne popisujú výsledný tvar lopatiek. Mnohé z týchto parametrov sú už ustálené v literatúre no boli zavedené i parametre popisujúce práve tvar toroidného obvodovo hnaného pohonu. Tieto parametre sú následne použité pri popise geometrie v procese iteratívneho vyhodnocovania charakteristík lopatiek a postupného hľadania citlivosti systému na odozvu voči zmene jednotlivých parametrov. Pre tento proces bolo využité počítačové modelovanie prúdenia (CFD). Pre validáciu výsledkov z počítačového modelovania bola vykonaná séria meraní v ktorej bola zároveň meraná aj odchýlka jednotlivých modelov. Merania ukázali silné prepojenie teoretických a praktických výsledkov čo sa týka účinnosti (teda implicitne i ťahu a momentu). Zároveň bolo ukázané, že navrhovaná geometrie vie konkurovať moderným pohonom podvodných dronov ako i niektorým riešeniam lodných pohonov.
The subject of this thesis is the design and optimization of a water drone propulsion system. By integrating two innovative propeller designs, toroidal and rim-driven, the work aims to enhance the performance and efficiency of the blade stage. The thesis proposes a hybrid solution to marine propulsion in hopes of reducing tip-induced drag and easing the mechanical complexity of the propulsion system assembly. The research follows a theoretical description of the propeller, complemented by an analytical model that predicts the performance of the blade arrangement. The geometry is defined using a set of parameters that are then used in the design stage in an iterative evaluation process to find viable shapes of the blade for further analysis and to find each parameter's impact on thrust and efficiency. The results are then compared with the findings of the CFD analysis. Experimental validation is used to underline the theoretical findings, confirming the potential benefits of the proposed design in underwater applications. The results demonstrate that the design is a strong alternative to rim-driven solutions of present-day UUV propulsion systems, with possible use in the maritime sector.
The subject of this thesis is the design and optimization of a water drone propulsion system. By integrating two innovative propeller designs, toroidal and rim-driven, the work aims to enhance the performance and efficiency of the blade stage. The thesis proposes a hybrid solution to marine propulsion in hopes of reducing tip-induced drag and easing the mechanical complexity of the propulsion system assembly. The research follows a theoretical description of the propeller, complemented by an analytical model that predicts the performance of the blade arrangement. The geometry is defined using a set of parameters that are then used in the design stage in an iterative evaluation process to find viable shapes of the blade for further analysis and to find each parameter's impact on thrust and efficiency. The results are then compared with the findings of the CFD analysis. Experimental validation is used to underline the theoretical findings, confirming the potential benefits of the proposed design in underwater applications. The results demonstrate that the design is a strong alternative to rim-driven solutions of present-day UUV propulsion systems, with possible use in the maritime sector.
Description
Keywords
Podvodné bezpilotné vozidlá, diaľkovo ovládané vozidlá, obvodovo hnané vodné pohony, toroidné lodné šróby, návrh hybridnej vrtule, lodné pohonné systémy, optimalizácia geometrie lodného šróbu, výpočtová dynamika tekutín, metóda lopatkových prvkov, zníženie kavitácie, účinnosť ťahu, preskumné drony, autonómne podvodné vozidlá, Underwater Unmanned Vehicles, Remotely Operated Vehicles, Rim-driven thruster, Toroidal propeller, Hybrid propeller design, Marine propulsion systems, Propeller geometry optimization, Computational Fluid Dynamics, Blade element method, Cavitation reduction, Thrust efficiency, Deep-sea exploration drones, Autonomous underwater vehicles
Citation
JAKUŠ, T. Návrh a optimalizace geometrie obvodově hnaného pohonu vodního dronu [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2025.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Základy strojního inženýrství
Comittee
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jan Čermák, CSc. (člen)
Ing. Roman Klas, Ph.D. (člen)
Ing. David Štefan, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Simona Fialová, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Jaroslav Štigler, Ph.D. (místopředseda)
Date of acceptance
2025-06-09
Defence
Student začal obhajobu krátkou prezentací své bakalářské práce. Následovalo čtení posudků vedoucího a oponenta. Po jejich přečtení student zodpověděl otázky, které vznesl oponent práce a další členové komise.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení