src/FDM/YASim/Propeller.cpp

   1 #include <stdio.h>
   2
   3 #include "Atmosphere.hpp"
   4 #include "Math.hpp"
   5 #include "Propeller.hpp"
   6 namespace yasim {
   7
   8 Propeller::Propeller(float radius, float v, float omega,
   9                      float rho, float power)
  10 {
  11     // Initialize numeric constants:
  12     _lambdaPeak = Math::pow(5.0, -1.0/4.0);
  13     _beta = 1.0f/(Math::pow(5.0f, -1.0f/4.0f) - Math::pow(5.0f, -5.0f/4.0f));
  14
  15     _r = radius;
  16     _etaC = 0.85f; // make this settable?
  17
  18     _j0 = v/(omega*_lambdaPeak);
  19     _baseJ0 = _j0;
  20
  21     float V2 = v*v + (_r*omega)*(_r*omega);
  22     _f0 = 2*_etaC*power/(rho*v*V2);
  23
  24     _matchTakeoff = false;
  25     _manual = false;
  26     _proppitch = 0;
  27     _propfeather = 0;
  28 }
  29
  30 void Propeller::setTakeoff(float omega0, float power0)
  31 {
  32     // Takeoff thrust coefficient at lambda==0
  33     _matchTakeoff = true;
  34     float V2 = _r*omega0 * _r*omega0;
  35     float gamma = _etaC * _beta / _j0;
  36     float torque = power0 / omega0;
  37     float density = Atmosphere::getStdDensity(0);
  38     _tc0 = (torque * gamma) / (0.5f * density * V2 * _f0);
  39 }
  40
  41 void Propeller::modPitch(float mod)
  42 {
  43     _j0 *= mod;
  44     if(_j0 < 0.25f*_baseJ0) _j0 = 0.25f*_baseJ0;
  45     if(_j0 > 4*_baseJ0)     _j0 = 4*_baseJ0;
  46 }
  47
  48 void Propeller::setManualPitch()
  49 {
  50     _manual = true;
  51 }
  52
  53 void Propeller::setPropPitch(float proppitch)
  54 {
  55     // makes only positive range of axis effective.
  56     _proppitch = Math::clamp(proppitch, 0, 1);
  57 }
  58
  59 void Propeller::setPropFeather(int state)
  60 {
  61     // 0 = normal, 1 = feathered
  62     _propfeather = (state != 0);
  63 }
  64
  65 void Propeller::calc(float density, float v, float omega,
  66                      float* thrustOut, float* torqueOut)
  67 {
  68     // For manual pitch, exponentially modulate the J0 value between
  69     // 0.25 and 4.  A prop pitch of 0.5 results in no change from the
  70     // base value.
  71     if (_manual)
  72         _j0 = _baseJ0 * Math::pow(2, 2 - 4*_proppitch);
  73
  74     float tipspd = _r*omega;
  75     float V2 = v*v + tipspd*tipspd;
  76
  77     // Sanify
  78     if(v < 0) v = 0;
  79     if(omega < 0.001) omega = 0.001;
  80
  81     float J = v/omega;    // Advance ratio
  82     float lambda = J/_j0; // Unitless scalar advance ratio
  83
  84     // There's an undefined point at lambda == 1.
  85     if(lambda == 1.0f) lambda = 0.9999f;
  86
  87     float l4 = lambda*lambda; l4 = l4*l4;   // lambda^4
  88     float gamma = (_etaC*_beta/_j0)*(1-l4); // thrust/torque ratio
  89
  90     // Compute a thrust coefficient, with clamping at very low
  91     // lambdas (fast propeller / slow aircraft).
  92     float tc = (1 - lambda) / (1 - _lambdaPeak);
  93     if(_matchTakeoff && tc > _tc0) tc = _tc0;
  94
  95     float thrust = 0.5f * density * V2 * _f0 * tc;
  96     float torque = thrust/gamma;
  97     if(lambda > 1) {
  98         // This is the negative thrust / windmilling regime.  Throw
  99         // out the efficiency graph approach and instead simply
 100         // extrapolate the existing linear thrust coefficient and a
 101         // torque coefficient that crosses the axis at a preset
 102         // windmilling speed.  The tau0 value is an analytically
 103         // calculated (i.e. don't mess with it) value for a torque
 104         // coefficient at lamda==1.
 105         float tau0 = (0.25f * _j0) / (_etaC * _beta * (1 - _lambdaPeak));
 106         float lambdaWM = 1.2f; // lambda of zero torque (windmilling)
 107         torque = tau0 - tau0 * (lambda - 1) / (lambdaWM - 1);
 108         torque *= 0.5f * density * V2 * _f0;
 109     }
 110
 111     *thrustOut = thrust;
 112     *torqueOut = torque;
 113 }
 114
 115 }; // namespace yasim