Helikopter Aerodinamiği Ve Rotor Etrafındaki Akımın Sayısal İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, mevcut bir ticari CFD yazılı ile helikopter rotoru etrafında hover halindeki akım alanı incelenmiştir. Bilgisayar programı sonlu hacimler şemasını kullanmakta olup zamanda ikinci mertebe ve uzayda 3. mertebe hassaslıkta çözüm yapabilmektedir. Georgia Institıte of Technology ile yapılan işbirliği çerçevesinde elde edilen bir rotor grid üretme programı ile H-H-O tipi rotor sayısal ağları üretilmiş ve hesaplamalarda kullanılmıştır. Analizler hem Euler hem de Navier-Stokes opsiyonları ile yapılmıştır. Çözüm alanını sınırlamak üzere uzak alan sınır şartları helikopter için bir boyutlu momentum teorisi yardımı ile elde edilmiş yaklaşık değerler olarak alınmıştır. Böyle bir çalışmanın bu paket program ile en azından ülkemizde ilk defa yapılıyor olması ve sınır şartlarının programa kullanıcı tanımlı fonksiyonlar (UDF) ile veriliyor olması nedeni ile sonuçları sınamak üzere deneysel verisi bulunan ve literatürde de sıkça kullanılan Caradonna-Tung’ın rotoru seçilmiştir. Bu rotor dikdörtgen kesitli burulmasız iki kanattan oluşmuştur. Kanat kesiti sabit NACA0012 profilinden oluşturulmuş olup kanat açıklık oranı 6’dır. Çözümler 8 derece hücüm açısında üç farklı uç Mach sayısı için elde edilmiştir. Uç Mach sayıları 0.44, 0.612 ve 0.877’dir. Türbülans etkileri Spalart-Allmaras ve standart k- modelleri ile incelenmiştir. Hesaplamalar 0.44 ve 0.612 kanat ucu Mach sayılarında sürtünmesiz ve viskoz-türbülanslı olarak ayrı ayrı iki çözüm halinde, 0.88 kanat ucu Mach sayısında ise yalnızca viskoz-türbülanslı olarak incelenmiştir. Elde edilen yüzey basınç değerleri kanat yüzeyi boyunca farklı radyal istasyonlarda deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Ayrıca Mach sayısı dağılımı ve periyodik düzlem girdap yapıları da sunulmuştur.

In the present study, the flow field about a helicopter rotor in hover is analysed using a commercially available CFD software. This code uses the finite volume method with a second order accurate scheme in time and a thrid order one in space. The numerical grids required for the computations are generated using the FORTRAN software written by the Aerospace Eng. Department of Georgia Institıte of Technology, USA. The computations are obtained using both the Euler and the Navier-Stokes (NS) formulations. In order to limit the computational domain, far field boundary conditions obtained from the 1-D momentum analyses for a helicopter in hover are used. Since such a study using a commercial CFD code is being first time performed, and the boundary conditions are externally introduced with user defined functions the calculations needed to be validated. Therefore the Caradonna-Tung rotor is chosen as the test geometry. Many researchers in the literature used this geometry and its experimantal values to validate their codes and predictions. The rotor is formed of NACA0012 airfoil sections with a rectangular planform and an aspect ratio of 6. The computations are obtained for an angle of attack of 8 degrees for three different blade tip Mach numbers: 0.44, 0.612 and 0.877. The effect of turbulence is included using the Spalart-Allmaras and standard k- turbulence models. The computed surface pressure values are compared with the data of Caradonna and Tung at different blade radial sections. Moreover, the Mach number distributions and periodic plane vortex structures are also presented.