Askı Ve İleri Uçuş Şartlarındaki Helikopter Rotor-gövde Akış Etkileşiminin Had Analizi

Abstract

Askı ve ileri uçuş durumunda zorlu rotor-gövde akış etkileşim problemini incelemek için zamana bağlı sıkıştırılabilir akış analizleri gerçekleştirilmiştir. Sistemi oluşturan herbir bileşenin akış yapısı üzerindeki etkilerini irdelemek için izole gövde ve izole rotor konfigürasyonları ele alınmıştır. Daha sonra, bileşenlerin birbirlerine olan etkilerini incelemek amacıyla sistemin tamamı analize tabi tutulmuştur. İzole gövde analizleri RANS tabanlı daimi hesaplamalara dayanmaktadır. Rotor palalarını içeren durumlar için ise URANS çözümleri gerçekleştirilmiştir. Akışın türbülanslı doğasını modellemek için daha güvenilir sonuç ürettiği analizler ile tespit edilmiş olan Realizable k-ε türbülans modeli kullanılmıştır. Zamana bağlı rotor analizleri üç farklı ilerleme oranı için gerçekleştirilmiştir. Hava yükleri nedeniyle palada gözlemlenen dinamik hareketler azimut açısı ile periyodik bir şekilde değişim gösterirken, aynı zamanda ilerleme oranına bağlı olarak da değişim göstermektedir. Palanın tanımlı hareketleri, mevcut kod yetenekleri ile temsil edilememektedir. Fakat, bu dinamik hareketler ticari HAD yazılımı içerisine kullanıcı tarafından yazılan bir kod vasıtasıyla simülasyon modeline dahil edilebilmektedir. Bilhassa ileri uçuş şartlarında daha belirgin olan çırpma ve yunuslama hareketlerini modellemek için birinci mertebe Fourier serilerinden yararlanılarak bir UDF kodu yazılmıştır. Hesaplama hacmi düzensiz yapıda olup karma elemanlardan oluşmaktadır. Dinamik çözüm ağı yaklaşımlarında sıklıkla görülen problemler çözüm ağı deformasyonu ve çözüm ağı oluşturma yöntemlerinin kullanıldığı dinamik ağlar ile aşılmıştır. Mevcut sayısal çalışmanın doğruluğu deneyler ve diğer sayısal çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılarak ortaya konmuştur. Benzer başarılı sonuçlar, daha az sayıda çözüm ağı kullanılarak elde edilmiştir. Bu nedenle, mevcut yöntem hesaplama süresinde azalma sağlamakta ve makul hesaplama kaynağı kullanımını mümkün kılmaktadır.

Unsteady compressible flow analyses are carried out to investigate the challenging helicopter rotor–fuselage interaction problem in hover and forward flight conditions. First, the isolated fuselage and the isolated rotor configurations are analyzed to examine the individual effects of each component on the flow field. Then, the rotor-fuselage interaction problem is considered. The isolated fuselage analyses are based on the steady RANS computations. URANS simulations are carried out for the cases with rotor blades. The Realizable k-ε turbulence model is found to perform best for the predictions. The time-dependent rotor analyses are simulated at three different advance ratios. The blade dynamic motions excited by the air loads, which vary periodically in the azimuth direction and also differ based on the advance ratio, have been prescribed by a UDF code embedded into the solver, since these motions cannot be directly represented with the existing commercial code capabilities. Azimuthal variations of the flap and pitch motions of the blades are prescribed a priori as a first order Fourier series through User Defined Function feature of the code. The computational domain was modeled by unstructured hybrid mesh elements. Commonly seen dynamic mesh problems are alleviated by appropriately formed dynamic grids using the spring based smoothing and cell re-meshing methods. The accuracy of the present numerical predictions has been demonstrated by the comparison of obtained results with the experiments and other numerical results available in the open literature. The present single grid methodology has given similar successful results with much lower number of grid elements, thus resulting in much shorter computing times, using modest computational power.