A METHODOLOGY FOR THE ANALYSES OF UNSTEADY FLOWFIELDS AROUND FORWARD FLYING HELICOPTER ROTORS

This study presents the outcomes of a series of computational fluid dynamics analyses conducted to obtain unsteady solutions of the flowfields around single rotor helicopter configurations. We use a methodology to obtain the time dependent solutions of the 3D, compressible Navier Stokes equations adapted for a rotating frame of reference. In order to carry out the simulations, the developed mathematical model is solved on hybrid meshes to optimally benefit the advantages of both the structured and the unstructured grids. For the entire flowfield calculations, one-equation Spalart-Allmaras turbulence model is employed. To decrease the computational time and memory requirements, parallel processing with distributed memory is utilized. We validate the developed model and the simulation methodology by comparing the results with the published experimental data. In the following phase of the study, the unsteady calculations of the flowfields around single, two bladed helicopter rotor configurations are conducted for hover and forward flight cases. As the forward flight speed increases, development of the dissymmetry of lift on advancing and retreating blades has been observed for six advance ratios. These time–accurate computations help to analyze the adverse effect of increasing forward flight speed in order especially to determine the never-exceed speed for single rotor helicopter configurations.

İLERİ UÇUŞTAKİ HELİKOPTER ROTORLARI ETRAFINDAKİ DAİMİ OLMAYAN AKIŞ ALANLARININ ANALİZ EDİLMESİ İÇİN BİR METODOLOJİ

Bu çalışma, askı ve ileri uçuş rejimlerindeki helikopter rotorları etrafındaki daimi olmayan akış alanı çözümlerinin elde edilmesi maksadıyla gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinin sonuçlarını sunmaktadır. Metodoloji, üç boyutlu, sıkıştırılabilir Navier-Stokes denklemlerinin dönen bir referans sistemi üzerindeki daimi olmayan çözümleri üzerine kurulmuştur. Simülasyonlar, geliştirilmiş olan matematiksel modelin, kompleks konfigürasyonlar etrafında yapısal ve yapısal olmayan sayısal ağların birlikte kullanılmasının sağlayacağı avantajlardan optimum şekilde faydalanmak maksadıyla, melez sayısal ağlar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tüm rotor akış alanı hesaplamalarında, bir denklemli Spalart-Allmaras türbülans modeli kullanılmıştır. Akış çözücü yazılım, hesaplama zamanı ve hafıza gereksinimlerini önemli ölçüde azaltacak şekilde dağıtılmış hafıza kullanımı ile paralel hesaplama için düzenlenmiştir. Geliştirilmiş olan model ve simülasyon metodolojisi, elde edilen sonuçların yayımlanmış olan deneysel sonuçlarla karşılaştırılması yolu ile geçerlenmiştir. Çalışmanın takip eden aşamasında, askı ve ileri uçuş durumları için iki palalı ve tek rotorlu helikopter konfigürasyonları etrafındaki daimi olmayan akış alanları hesaplanmıştır. İleri uçuş hızı arttıkça, ilerleyen ve gerileyen palalar üzerindeki taşıma kuvvetindeki asimetrinin gelişimi altı ilerleme oranı için gözlemlenmiştir. Bu zamana bağlı hesaplamalar, özellikle, tek rotorlu helikopter konfigürasyonları için asla geçilmemesi gereken hızın belirlenmesi amacıyla, artan ileri uçuş hızının sınırlayıcı etkilerinin analiz edilmesine yardımcı olmaktadır.

___

Fluent 6.3 User’s Guide, c Fluent Inc. 2006-09- 20.

Conlisk, A.T., “Modern Helicopter Rotor Aerodynamics,” Progress in Aerospace Sciences, 37, 419–476, 2001.

Allen, C.B., “Parallel Simulation of Lifting Rotor Wakes in Forward Flight,” International Journal Of Numerical Analysis And Modeling Volume 4, Number 1, Pages 1–15, 2007, Institute for Scientific Computing and Information.

Rahier, G. and Delrieux, Y., “Influence of Vortex Model on Blade-Vortex Interaction Load and Noise Predictions,” Proceedings of the AHS Technical Specialists’ Meeting for Rotorcraft Acoustics and Aerodynamics, Williamsburg, VA, October 28–30, 1997.

Mahalingam, R., Structure of the Near Wake of a Rotor in Forward Flight and its Effect on Surface Interactions, Ph.D. Dissertation, School of Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology, June 1999.

Li, H.; Burggraf, O.; R. and Conlisk, A.T., “Formation of a Rotor Tip Vortex,” Journal of Aircraft, 39, no. 5, pp. 739-749, 2002.

Devenport, W.J.; Rife, M.C.; Liapis, S.I. and Follin, G.J., “The Structure and Development of a Wing-tip Vortex,” Journal of Fluid Mechanics, Vol. 312, 1996.

Boisard, R. and Baeder, J. D., “Impact of Three- Dimensional and Compressible Effects ofBlade Loading on BVI Noise Signature,” American Helicopter Society 57th Annual National Forum, Washington D.C, May 9-11 2001.

Boelens, O.J.; Van der Ven, H.; Oskam, B. and Hassan, A.A., “Accurate and Efficient Vortex- Capturing for a Helicopter Rotor in Hover,” National Aerospace Laboratory NLR-TP-2000-420.

Yang, Z.; Sankar, L.N.; Smith, M. and Bauchau, O., “Recent Improvements to a Hybrid Method for Rotors in Forward Flight,” Journal of Aircraft, 39 (5), 804–812.

Xu, H.; Zhang, S. and Khalid, M., “Numerical Simulations of Unsteady Flows Past a Four-Bladed Rotor in Forward-Flight,” AIAA 17th Computational Fluid Dynamics Conference, Toronto, Canada, AIAA Paper 2005–5125.

Pomin, H. and Wagner, S., “Navier–Stokes Analysis of Helicopter Rotor Aerodynamics in Hover and Forward Flight,” Journal of Aircraft, 39 (5), 813–821.

Berkman, M.E. and Sankar, L.N, “A Navier–Stokes/Full Potential/Free Wake Method For Advancing Multi-Bladed Rotors,” American Helicopter Society 53rd Annual Forum, Virginia Beach, Virginia, April 29-May 1, 1997.

Yağız, B., “Analysis of the Flow Field Around Hovering Helicopter Blades with Fluent 6.1,” Istanbul Technical University Rotorcraft Research and Development Center Report R280-AAA-R-04- 02, March 2004.

Geçgel, M., Parallel, Navier–Stokes Computation of the Flow field of a Hovering HelicopterRotor Blade, M.S. Thesis, METU, Ankara, Turkey, 2003.

Alpman, E., “Numerical Simulation of Rotary Wing Flowfields on Parallel Computers,” M.S. Thesis, METU, Ankara, July 2001.

Caradonna, F. X. and Tung, C., “Experimental and Analytical Studies of a Model Helicopter Rotor in Hover,” NASA Technical Memorandum 81: 232, September 1981.

Srinivasan, G.R.; Raghavan, V. and Duque, E.P.N., “Flowfield Analysis of Modern Helicopter Rotors in Hover by Navier–Stokes Method,” International Technical Specialist Meeting, Rotorcraft Acoustics and Rotor Fluid Dynamics, October 15-17, Pennsylvania, USA, 1991.

Sheffer, S.G.; Alonso, J.J.; Martinelli, L. and Jameson, A., “Time-Accurate Simulation of Helicopter Rotor Flows Including Aeroelastic Effects,” AIAA Paper, Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, 35th, Reno, NV, Jan. 6-9, 1997.

Steijl, R.; Barakos, G.N. and Badcock, K.J., “A Framework for CFD Analysis of Helicopter Rotors in Hover and Forward Flight,” International Journal for Numerical Methods in Fluids, 51:819–847, 2006.

Leishman, J.G., Principles of Helicopter Aerodynamics, Cambridge University Press, 2006.