Un dispositivo llamado tornillo neumático, inventado por Leonardo da Vinci hace más de 500 años, puede ser la clave para conseguir drones más silenciosos.
La Administración Federal de Aviación recibe miles de quejas cada año sobre el fuerte zumbido distintivo que producen las hélices de los drones en el aire. Este ruido también es un problema en otros países: Canadá e Inglaterra, por ejemplo, han registrado un fuerte aumento de quejas similares en los últimos años.
Los expertos creen que la contaminación acústica causada por estos vehículos aéreos no tripulados empeorará a medida que se utilicen cada vez más para la entrega de paquetes, la fotografía, la respuesta de emergencia y más.
«La idea era reunir inspiración histórica y cálculos modernos para reinventar un dron moderno y más silencioso», dijo el profesor de Ingeniería Mecánica y Suryansh Prakhar, candidato a doctorado en Ingeniería Mecánica.
Los miembros del equipo sabían que otros grupos de investigación habían explorado hélices en forma de anillo que eran menos ruidosas que las hélices tradicionales con sus palas planas y delgadas y sus bordes en ángulo. El característico zumbido producido por los ventiladores convencionales es el resultado de «vórtices de punta»: pequeños tornados de aire que salen disparados e intersecan las aspas planas y anguladas. Los ventiladores toroidales distribuyen estos vórtices, amortiguando el sonido.
El equipo de Mittal pensó que el diseño de Da Vinci, con su forma de tornillo y su única hoja, también podría ser más silencioso.
Para averiguarlo, los investigadores necesitaban crear un modelo, lo que requirió seleccionar las medidas y características de diseño más precisas. Se encontraron con un proyecto en el que estudiantes de ingeniería aeroespacial de la Universidad de Maryland analizaban el diseño de un tornillo de aire, incluido el radio, la curva, el paso, la forma y el número de anillos.
«Utilizando este proyecto como punto de partida, construimos un modelo 3D de la forma retorcida de un tornillo de aire da Vinci y luego utilizamos nuestro software de simulación, llamado ViCar3D, para simular el flujo de aire alrededor del rotor mientras el dron flotaba en el lugar». Prakhar dice: “Luego, el software predijo rápidamente el flujo de aire alrededor del ventilador y los patrones de presión.
La presión generada en la superficie del tornillo giratorio se convertiría en sonido, por lo que el equipo utilizó la fórmula de Frasat, una teoría creada por un científico de la NASA a finales de la década de 1970 para predecir los niveles de sonido basándose en patrones de flujo de aire simulados, para calcular el ruido generado. A cinco metros del planeta. Vértigo. Luego simularon un ventilador anular en las mismas condiciones.
De hecho, la hélice de Da Vinci era más ruidosa que una hélice anular a cualquier velocidad de rotación dada, pero la hélice también producía una mayor sustentación, la fuerza hacia arriba que se opone a la fuerza descendente de la gravedad. Los investigadores también sabían que la cantidad de sustentación tenía que permanecer constante para tareas comunes de drones como la entrega de paquetes, por lo que luego calcularon el ruido emitido por las hélices da Vinci y las hélices toroidales al producir la misma cantidad de sustentación y obtuvieron su respuesta.
«La hélice Da Vinci hacía mucho menos ruido con la misma cantidad de sustentación generada», dice Prakhar.
El equipo planea realizar más simulaciones para modelar los niveles de ruido de las hélices cuando los drones sean más grandes y operen a velocidades más altas.
«Esperamos resultados similares en la reducción de ruido; sin embargo, la eficiencia aerodinámica de la hélice da Vinci será menor en comparación con una hélice convencional, ya que no todas las partes de la forma de hélice se pueden optimizar para producir una cantidad similar de sustentación. A pesar de este potencial Pérdida de eficiencia Estas formas de hélice pueden ser útiles para aplicaciones donde la reducción de ruido es más importante que la eficiencia aerodinámica.
Los investigadores presentaron su trabajo en la 76ª Reunión Anual de la División de Dinámica de Fluidos en Washington, D.C., en noviembre.
La Oficina de Investigación del Ejército de EE.UU. financió el trabajo.
fuente: Universidad Johns Hopkins