Hovering helicopter interaction with the ground and bluff bodies: a CFD based investigation

Abstract

The interactive phenomena that occur when a helicopter is hovering in proximity to the ground and bluff bodies are addressed in this thesis. The work is motivated by the limited bibliography on this topic. Several surveys have been conducted both experimental and computational, however a systematic work that categorises and classifies the interaction between the rotor and the ground/bluff bodies is missing. The present work takes into consideration several experimental campaigns, analyses the results and then by using tools of different fidelity tries to reproduce the measurements. Through this process the conclusions that are ex- tracted are consistent and complimented by the different experiments but also by the computations. When a helicopter takes off or lands, its wake interferes with the ground and obstacles. This interaction, depending on the height-to-rotor diameter ratio, causes the altering of the rotor loading and performance as compared to the unconstrained case and gives rise to the development of a complex outwash flow field in the surrounding of the helicopter. When a helicopter hovers outside the ground effect, the jet flow of the main rotor and the strong tip vortices of the wake travel un- constrained below the rotor. As the rotor starts to approach the ground or an obstacle the jet flow and the vortices interact with the surrounding environment. That leads to the development of boundary layers on the surfaces of solid boundaries which eventually change the flow field. In these cases different shear layers interact with each other causing the formation of strong vortex structures that are close to the helicopter. The above phenomena are investigated in scaled down helicopter models. Both the dimensions of the rotor and the obstacle are scaled down in order to resemble the interactions between a helicopter and a building. This mach scaled models were than used to experiments conducted by the Politecnico di Milano, the University of Glasgow, and Onera in low Reynolds numbers (below 25000). All the experimental campaigns concerned similar cases but with different parameters. The results that have been provided are then processed and normalised in order to be categorised. To support this categorisation, measurements were than compared against numerical predictions. Two different tools have been used. The first is a medium fidelity potential solver. Solid boundaries are treated as inviscid surfaces and the wake is modelled as free vortex particles. The velocity field is obtained by solving with a particles mesh technique two Poisson equations. This solver was used for simulating the majority of the cases because of its time efficiency. The comparison between preliminary predictions of the potential solver against the experiments revealed the limitations of the solver due to its inherently inviscid character. However, this limitations confirmed the first conclusion that extracted from the experimental data. In the direction of overcoming the above limitations and further analyze the phenomena a high fidelity hybrid solver was exploited. The hybrid solver couples through an iterative scheme an Eulerian formulation of the Navier-Stokes equations with a Lagrangian description of the flow field taking in advantage the particle approximation. The above tool can handle the solid boundaries in which the viscous phenomena are created as independent entities by creating a spatial grid of reduced length around them, while the far field is expressed as a material field. In this manner all boundary conditions are met (both the sold and far field boundaries). Simulations of the hybrid solver performed in specific cases (those that the potential solver could not reproduce) as the computational cost is excessive. The results comparing to the experimental data, confirmed the original hypothesis and helped to dive into deeper analysis of the physical mechanisms that dominate the flow around a hovering helicopter in proximity to solid boundaries.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η αλληλεπίδραση ενός αιωρούμενου ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια. Η περιορισμένη βιβλιογραφία επί του φαινομένου τόσο σε υπολογιστικό όσο και σε πειραματικό πλαίσιο αποτέλεσε το κίνητρο της εργασίας. Στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση των επιπτώσεων αυτής της αλληλεπίδρασης στην πτήση αιώρησης του ελικοπτέρου καθώς και η ανάλυση και κατηγοριοποίηση των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα. ́Οταν ένα ελικόπτερο προσγειώνεται η απογειώνεται ο ομόρρους του αλληλεπιδρά με το έδαφος και πα- ρακείμενα εμπόδια. Η παραπάνω κατάσταση οδηγεί σε μεταβολές των φορτίων και της απόδοσης του ελικοπτέρου, οι οποίες αποτελούν συνάρτηση του λόγου ύψους αιώρησης-διαμέτρου του κύριου δρομέα. Με αυτό τον τρόπο το πεδίο ροής μεταβάλλεται με ουσιώδη τρόπο συγκριτικά με την πτήση αιώρησης μακρυά από στερεά σύνορα. Η πτήση αιώρησης ελικοπτέρου μακρυά από το έδαφος χαρακτηρίζεται από την δημιουργία ενός πίδακα αέρα που εκπέμπεται από τον κύριο δρομέα, με τον ταυτόχρονο σχηματισμό ενός δακτυλίου στροβιλότητας. Προϊόντος του χρόνου, ο δακτύλιος αυτός απομακρύνεται με σταθερή ταχύτητα. Αντίθετα, όταν ένα ελικόπτερο αιωρείται κοντά στο έδαφος ή σε εμπόδια, παρατηρείται η δημιουργία οριακών στρωμάτων πάνω στις επιφάνειες τα οποία αλληλεπιδρούν με τον δακτύλιο στροβιλότητας. Η αλληλεπίδραση των παραπάνω στρωμάτων διάτμησης οδηγεί στην δημιουργία ισχυρών δομών στροβιλότητας, διαμορφώνοντας με αυτό τον τρόπο ένα σύνθετο πεδίο ροής που επηρεάζει την φόρτιση του ελικοπτέρου.Η ανάλυση της αλληλεπίδρασης περιλαβάνει πειραματικά αποτελέσματα και υπολογιστικές προσομοιώσεις για ένα μοντέλο ελικοπτέρου μικρότερης κλίμακας. Οι διαστάσεις του ελικοπτέρου και των εμποδίων έχουν υποστεί ανάλογη μείωσή ούτως ώστε να προσομοιάζουν την αλληλεπίδραση ελικοπτέρου με κτήριο. Η διαστατοποίηση πραγματοποιήθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε η ταχύτητα ακροπτερυγίου του κύριο δρομέα να διατηρηθεί σταθερή. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε τρία διαφορετικά πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα (Πολυτεχνείο του Μιλάνο, Πανεπιστήμιο της Γλα- σκόβης, ONERA) για σχετικά χαμηλούς αριθμούς Re (μικρότερους από 300000). Οι πειραματικές εκστρατείες αφορούν παρόμοιες διατάξεις με διαφορετικές παραμέτρους ωσ τόσο. Με αυτό τον τρόπο και αδιασ τατοποιώντας τα αποτελέσματα, τα συμπεράσματα που εξάγονται μπορούν κατηγοριοποιηθούν βάσει των φυσικών φαινομένων και όχι ανάλογα με την εκάστοτε πειραματική διάταξη.Για την επιβεβαίωση των πειραματικών μετρήσεων πραγματοποιήθηκαν υπολογιστικές προσομοιώσεις με εργαλεία μεσαίας και μεγάλης υπολογιστικής ακρίβειας. Προκαταρκτικές προσομοιώσεις πιστοποίησαν την καλή λειτουργία των εργαλείων και ταυτόχρονα ανέδειξαν τους περιορισμούς της κάθε μεθοδολογίας. Το πρώτο εργαλείο, ένας ασυμπίεστος μη συνεκτικός κώδικας συνοριακών στοιχείων και στοιχείων στροβιλότητας GenUVP, επιτρέπει την προσομοίωση μεγάλου αριθμού περιπτώσεων προλέγοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Σε αυτή την κατεύθυνση, αναδείχθηκανοι περιορισμοί των μη συνεκτικών μεθόδων αφού εγγενώς αδυνατούν να προλέξουν την δημιουργία οριακών στρωμάτων.Για να ξεπεραστεί η παραπάνω αδυναμία, χρησιμοποιήθηκε επιλεκτικά μία υβριδική μέθοδος υψηλής ακρίβειας. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει μέσω μίας επαναληπτικής διαδικασίας την Eulerian διατύπωση των εξισώσεων της μηχανικής των ρευστών με την Lagrangian εκδοχή. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η ικανοποίηση όλων των οριακών συνθηκών του πεδίου, και εισάγεται στις προσομοιώσεις η συνεκτικότητα του εδάφους και των εμποδίων. Τα αποτελέσματα που προλέχθηκαν συγκρίνονται πολύ καλά με τις πειραματικές μετρήσεις.Καταλήγοντας, κάνοντας χρήση τόσο πειραματικών δεδομένων από ανεξάρτητα πειράματα, όσο και υπολογιστικά αποτελέσματα διαφόρων μεθόδων, εξάγονται συμπεράσματα για το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια.