Multi-objective optimization of ducted propellers for UAVs to reduce aeroacoustic noise

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As the urban operation of UAV and UAM expands, aerodynamic noise has emerged as a major obstacle to commercialization. This study performs optimal duct shape design for a DJI 9450 based ducted propeller to reduce aerodynamic noise while maintaining thrust performance. The design variables are defined as the duct exit diffusion angle and the tip clearance, and the objective variables are set to thrust and overall sound pressure level (OASPL). Numerical analysis is carried out by evaluating thrust using steady RANS with the SST 𝑘 − 𝜔 model, and predicting far field SPL and OASPL using DES based unsteady analysis combined with the FW–H acoustic equation. Latin Hypercube Sampling (LHS) is applied for design space sampling, and a non parametric regression based response surface is constructed. A multi objective genetic algorithm (MOGA) is then used to explore the Pareto solutions. In addition, thrust–RPM curves and acoustic measurements at a radius of 0.5 m and azimuth angles of 30°, 45°, 60°, and 90° are obtained for the same propeller to validate the numerical results. The numerical and experimental results show that, at the same RPM, the unducted model produces higher thrust than the ducted model, while the ducted model reduces SPL at most azimuth angles due to shielding and flow straightening effects, confirming a clear trade-off between thrust and noise. Decreasing the exit diffusion angle and reducing the tip clearance increase thrust through jet acceleration and reduced leakage flow but also increase OASPL by amplifying BVI and loading noise components via stronger interaction with the inner duct wall. The multi objective optimization yields an exit diffusion angle of −6.9212° and a tip clearance of 4.2928 mm as a representative optimal geometry with weighting on noise, achieving an OASPL reduction of about 3.2 dB while maintaining thrust at a level similar to the baseline. Therefore, this study quantifies the thrust–noise trade off associated with duct geometry through an optimization procedure based on LHS–RSM–MOGA combined with steady–unsteady coupled analysis and experimental validation, and provides a practical geometric design guideline for low noise ducted propeller systems for UAV.

국문 초록 (Abstract)

최근 UAV의 도심 운용이 확대되면서 공력 소음이 상용화의 핵심 걸림돌로 부각되고 있다. 본 연구는 DJI 9450 기반 덕티드 프로펠러를 대상으로, 추력 성능을 유지하면서 공력 소음을 저감하기 위한 덕트 형상 최적 설계를 수행하였다. 설계변수는 덕트 출구 확산각과 팁 간극으로 정의하고, 목적변수는 추력과 전체 음압 레벨(OASPL)로 설정하였다. 수치해석은 정상 RANS(SST 𝑘 − 𝜔) 해석으로 추력을, DES 기반 비정상 해석과 FW–H 음향 방정식으로 원거리 SPL과 OASPL을 예측하는 방식으로 수행하였다. 설계공간 표본화에는 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 적용하고, 비모수 회귀 기반 응답표면과 다목적 유전 알고리즘(MOGA)을 이용해 파레토 해를 탐색하였다. 또한 동일 프로펠러에 대해 추력–RPM 곡선과 반경 0.5 m, 다각도(30°, 45°, 60°, 90°) 음향 계측 실험을 수행하여 수치해석 결과를 검증하였다. 해석 및 실험 결과, 비덕트가 덕트보다 높은 추력을 보이는 반면, 덕트는 차폐 및 유동 정렬 효과로 대부분 방위각에서 SPL을 감소시켜 추력–소음 간 뚜렷한 트레이드오프가 형성됨을 확인하였다. 출구 확산각 감소와 팁 간극 축소는 제트 가속과 누설유동 감소로 추력을 증가시키지만, 덕트 내벽과의 상호작용을 통해 BVI 및 하중 소음을 증폭시켜 OASPL을 증가시켰다. 다목적 최적화 결과, 출구 확산각 −6.9212°, 팁 간극 4.2928 mm가 소음에 가중치를 둔 대표 최적 형상으로 도출되었으며, 기준 형상과 유사한 추력을 유지하면서 OASPL을 약 3.2 dB 저감하는 결과를 얻었다. 본 연구는 LHS–RSM–MOGA 기반 최적화 절차와 정상–비정상 연계 해석, 실험 검증을 통해 덕트 형상에 따른 추력–소음 트레이드오프를 정량화하고, UAV용 저소음 덕티드 프로펠러 설계를 위한 실질적인 형상 설계 가이드를 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Related Studies 4
• 1.3 Objective 7
• 1.4 Methodology 9
• 2 Theoretical Background 15
• 2.1 Aeroacoustic Noise 15
• 2.2 Aerodynamic Performance of Propeller 21
• 2.3 Sound Pressure Level 22
• 2.4 Ffowcs-Williams Hawkings Equation 24
• 3 Numerical Analysis 30
• 3.1 Governing Equations and Turbulence Model 30
• 3.1.1 Continuity equation 32
• 3.1.2 Momentum equation 33
• 3.1.3 Turbulence modeling 35
• 3.2 Geometry and Computational Domain 36
• 3.3 Mesh Generation and Grid Dependence Study 38
• 3.4 Boundary Conditions 41
• 4 Experiments 50
• 4.1 Experimental Setup and Method 50
• 5 Results and Discussion 55
• 5.1 Aerodynamic Performance 55
• 5.1.1 Thrust comparison between ducted and unducted configurations 56
• 5.1.2 Thrust variation with tip clearance and exit diffusion angle 57
• 5.2 Aeroacoustics Analysis 59
• 5.2.1 Noise comparison between ducted and unducted configurations 59
• 5.2.2 Noise variation with tip clearance 60
• 5.3 CFDExperimental Validation 60
• 5.4 Optimization 62
• 5.4.1 Multi-objective optimization 62
• 5.4.2 Optimization methodology 63
• 5.4.3 Optimization results 65
• 6 Conclusion 94
• References 98