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