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[flightgear.git] / src / FDM / JSBSim / models / propulsion / FGPropeller.cpp
index f83f961b8e7aea224b62c5dab8fb1e1cd62ae11e..52635b7ef6b13447b128e62963a02d525d230fc9 100644 (file)
@@ -39,16 +39,13 @@ INCLUDES
 #include <sstream>
 
 #include "FGPropeller.h"
-#include "models/FGPropagate.h"
-#include "models/FGAtmosphere.h"
-#include "models/FGAuxiliary.h"
 #include "input_output/FGXMLElement.h"
 
 using namespace std;
 
 namespace JSBSim {
 
-static const char *IdSrc = "$Id: FGPropeller.cpp,v 1.32 2010/10/21 03:27:40 jberndt Exp $";
+static const char *IdSrc = "$Id: FGPropeller.cpp,v 1.44 2012/04/29 13:10:46 bcoconni Exp $";
 static const char *IdHdr = ID_PROPELLER;
 
 /*%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
@@ -102,8 +99,7 @@ FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, Element* prop_element, int num)
     ConstantSpeed = (int)prop_element->FindElementValueAsNumber("constspeed");
   if (prop_element->FindElement("reversepitch"))
     ReversePitch = prop_element->FindElementValueAsNumber("reversepitch");
-  for (int i=0; i<2; i++) {
-    table_element = prop_element->FindNextElement("table");
+  while((table_element = prop_element->FindNextElement("table")) != 0) {
     name = table_element->GetAttributeValue("name");
     try {
       if (name == "C_THRUST") {
@@ -121,18 +117,21 @@ FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, Element* prop_element, int num)
       throw("Error loading propeller table:" + name + ". " + str);
     }
   }
+  if( (cPower == 0) || (cThrust == 0)){
+      cerr << "Propeller configuration must contain C_THRUST and C_POWER tables!" << endl;
+  }
 
   local_element = prop_element->GetParent()->FindElement("sense");
   if (local_element) {
     double Sense = local_element->GetDataAsNumber();
-    SetSense(fabs(Sense)/Sense);
+    SetSense(Sense >= 0.0 ? 1.0 : -1.0);
   }
   local_element = prop_element->GetParent()->FindElement("p_factor");
   if (local_element) {
     P_Factor = local_element->GetDataAsNumber();
   }
   if (P_Factor < 0) {
-    cerr << "P-Factor value in config file must be greater than zero" << endl;
+    cerr << "P-Factor value in propeller configuration file must be greater than zero" << endl;
   }
   if (prop_element->FindElement("ct_factor"))
     SetCtFactor( prop_element->FindElementValueAsNumber("ct_factor") );
@@ -148,6 +147,8 @@ FGPropeller::FGPropeller(FGFDMExec* exec, Element* prop_element, int num)
 
   string property_name, base_property_name;
   base_property_name = CreateIndexedPropertyName("propulsion/engine", EngineNum);
+  property_name = base_property_name + "/engine-rpm";
+  PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), this, &FGPropeller::GetEngineRPM );
   property_name = base_property_name + "/advance-ratio";
   PropertyManager->Tie( property_name.c_str(), &J );
   property_name = base_property_name + "/blade-angle";
@@ -185,60 +186,85 @@ FGPropeller::~FGPropeller()
 // We must be getting the aerodynamic velocity here, NOT the inertial velocity.
 // We need the velocity with respect to the wind.
 //
-// Note that PowerAvailable is the excess power available after the drag of the
-// propeller has been subtracted. At equilibrium, PowerAvailable will be zero -
-// indicating that the propeller will not accelerate or decelerate.
 // Remembering that Torque * omega = Power, we can derive the torque on the
 // propeller and its acceleration to give a new RPM. The current RPM will be
 // used to calculate thrust.
 //
 // Because RPM could be zero, we need to be creative about what RPM is stated as.
 
-double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
+double FGPropeller::Calculate(double EnginePower)
 {
-  double omega, alpha, beta;
+  FGColumnVector3 localAeroVel = Transform().Transposed() * in.AeroUVW;
+  double omega, PowerAvailable;
 
-  double Vel = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU);
-  double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
+  double Vel = localAeroVel(eU);
+  double rho = in.Density;
   double RPS = RPM/60.0;
 
   // Calculate helical tip Mach
   double Area = 0.25*Diameter*Diameter*M_PI;
   double Vtip = RPS * Diameter * M_PI;
-  HelicalTipMach = sqrt(Vtip*Vtip + Vel*Vel) / 
-                   fdmex->GetAtmosphere()->GetSoundSpeed(); 
+  HelicalTipMach = sqrt(Vtip*Vtip + Vel*Vel) / in.Soundspeed;
+
+  PowerAvailable = EnginePower - GetPowerRequired();
 
   if (RPS > 0.0) J = Vel / (Diameter * RPS); // Calculate J normally
-  else           J = Vel / Diameter;      
+  else           J = Vel / Diameter;
 
   if (MaxPitch == MinPitch) {    // Fixed pitch prop
-         ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J);
+    ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J);
   } else {                       // Variable pitch prop
-         ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J, Pitch);
+    ThrustCoeff = cThrust->GetValue(J, Pitch);
   }
+
   // Apply optional scaling factor to Ct (default value = 1)
   ThrustCoeff *= CtFactor;
 
   // Apply optional Mach effects from CT_MACH table
   if (CtMach) ThrustCoeff *= CtMach->GetValue(HelicalTipMach);
 
-  if (P_Factor > 0.0001) {
-    alpha = fdmex->GetAuxiliary()->Getalpha();
-    beta  = fdmex->GetAuxiliary()->Getbeta();
-    SetActingLocationY( GetLocationY() + P_Factor*alpha*Sense);
-    SetActingLocationZ( GetLocationZ() + P_Factor*beta*Sense);
-  }
-
   Thrust = ThrustCoeff*RPS*RPS*D4*rho;
 
-  // From B. W. McCormick, "Aerodynamics, Aeronautics, and Flight Mechanics"
-  // first edition, eqn. 6.15 (propeller analysis chapter).
-  Vinduced = 0.5 * (-Vel + sqrt(Vel*Vel + 2.0*Thrust/(rho*Area)));
+  // Induced velocity in the propeller disk area. This formula is obtained
+  // from momentum theory - see B. W. McCormick, "Aerodynamics, Aeronautics,
+  // and Flight Mechanics" 1st edition, eqn. 6.15 (propeller analysis chapter).
+  // Since Thrust and Vel can both be negative we need to adjust this formula
+  // To handle sign (direction) separately from magnitude.
+  double Vel2sum = Vel*abs(Vel) + 2.0*Thrust/(rho*Area);
+  
+  if( Vel2sum > 0.0)
+    Vinduced = 0.5 * (-Vel + sqrt(Vel2sum));
+  else
+    Vinduced = 0.5 * (-Vel - sqrt(-Vel2sum));
+
+  // We need to drop the case where the downstream velocity is opposite in
+  // direction to the aircraft velocity. For example, in such a case, the
+  // direction of the airflow on the tail would be opposite to the airflow on
+  // the wing tips. When such complicated airflows occur, the momentum theory
+  // breaks down and the formulas above are no longer applicable
+  // (see H. Glauert, "The Elements of Airfoil and Airscrew Theory",
+  // 2nd edition, ยง16.3, pp. 219-221)
+
+  if ((Vel+2.0*Vinduced)*Vel < 0.0)
+    Vinduced = 0.0; // We cannot calculate the induced velocity so let's assume it is zero.
+    
+  // P-factor is simulated by a shift of the acting location of the thrust.
+  // The shift is a multiple of the angle between the propeller shaft axis
+  // and the relative wind that goes through the propeller disk.
+  if (P_Factor > 0.0001) {
+    double tangentialVel = localAeroVel.Magnitude(eV, eW);
+
+    if (tangentialVel > 0.0001) {
+      double angle = atan2(tangentialVel, localAeroVel(eU));
+      double factor = Sense * P_Factor * angle / tangentialVel;
+      SetActingLocationY( GetLocationY() + factor * localAeroVel(eW));
+      SetActingLocationZ( GetLocationZ() + factor * localAeroVel(eV));
+    }
+  }
 
   omega = RPS*2.0*M_PI;
 
-  vFn(1) = Thrust;
+  vFn(eX) = Thrust;
 
   // The Ixx value and rotation speed given below are for rotation about the
   // natural axis of the engine. The transform takes place in the base class
@@ -257,7 +283,7 @@ double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 
   // Transform Torque and momentum first, as PQR is used in this
   // equation and cannot be transformed itself.
-  vMn = fdmex->GetPropagate()->GetPQR()*(Transform()*vH) + Transform()*vTorque;
+  vMn = in.PQR*(Transform()*vH) + Transform()*vTorque;
 
   return Thrust; // return thrust in pounds
 }
@@ -267,12 +293,12 @@ double FGPropeller::Calculate(double PowerAvailable)
 double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 {
   double cPReq, J;
-  double rho = fdmex->GetAtmosphere()->GetDensity();
-  double Vel = fdmex->GetAuxiliary()->GetAeroUVW(eU);
+  double rho = in.Density;
+  double Vel = in.AeroUVW(eU);
   double RPS = RPM / 60.0;
 
   if (RPS != 0.0) J = Vel / (Diameter * RPS);
-  else            J = Vel / Diameter; 
+  else            J = Vel / Diameter;
 
   if (MaxPitch == MinPitch) {   // Fixed pitch prop
     cPReq = cPower->GetValue(J);
@@ -319,7 +345,7 @@ double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
     } else { // Manual Pitch Mode, pitch is controlled externally
 
     }
-  
+
     cPReq = cPower->GetValue(J, Pitch);
   }
 
@@ -337,8 +363,8 @@ double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
      double CL = (90.0 - Pitch) / 20.0;
      if (CL > 1.5) CL = 1.5;
      double BladeArea = Diameter * Diameter / 32.0 * numBlades;
-     vTorque(eX) = -Sense*BladeArea*Diameter*Vel*Vel*rho*0.19*CL;
-     PowerRequired = fabs(vTorque(eX))*0.2*M_PI;
+     vTorque(eX) = -Sense*BladeArea*Diameter*fabs(Vel)*Vel*rho*0.19*CL;
+     PowerRequired = Sense*(vTorque(eX))*0.2*M_PI;
   }
 
   return PowerRequired;
@@ -346,7 +372,7 @@ double FGPropeller::GetPowerRequired(void)
 
 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
-FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
+FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor() const
 {
   double px=0.0, py, pz;
 
@@ -358,7 +384,7 @@ FGColumnVector3 FGPropeller::GetPFactor()
 
 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
-string FGPropeller::GetThrusterLabels(int id, string delimeter)
+string FGPropeller::GetThrusterLabels(int id, const string& delimeter)
 {
   std::ostringstream buf;
 
@@ -375,7 +401,7 @@ string FGPropeller::GetThrusterLabels(int id, string delimeter)
 
 //%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
-string FGPropeller::GetThrusterValues(int id, string delimeter)
+string FGPropeller::GetThrusterValues(int id, const string& delimeter)
 {
   std::ostringstream buf;
 
@@ -425,10 +451,25 @@ void FGPropeller::Debug(int from)
       cout << "      Maximum Pitch  = " << MaxPitch << endl;
       cout << "      Minimum RPM  = " << MinRPM << endl;
       cout << "      Maximum RPM  = " << MaxRPM << endl;
+// Tables are being printed elsewhere...
 //      cout << "      Thrust Coefficient: " <<  endl;
 //      cThrust->Print();
 //      cout << "      Power Coefficient: " <<  endl;
 //      cPower->Print();
+//      cout << "      Mach Thrust Coefficient: " <<  endl;
+//      if(CtMach)
+//      {
+//          CtMach->Print();
+//      } else {
+//          cout << "        NONE" <<  endl;
+//      }
+//      cout << "      Mach Power Coefficient: " <<  endl;
+//      if(CpMach)
+//      {
+//          CpMach->Print();
+//      } else {
+//          cout << "        NONE" <<  endl;
+//      }
     }
   }
   if (debug_lvl & 2 ) { // Instantiation/Destruction notification