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

Ανδρόνικος, Θεολόγος; Andronikos, Theologos

dc.contributor.author	Ανδρόνικος, Θεολόγος	el
dc.contributor.author	Andronikos, Theologos	en
dc.date.accessioned	2022-07-20T06:57:46Z
dc.date.available	2022-07-20T06:57:46Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/55427
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23125
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αεροδυναμική	el
dc.subject	Εδαφος	el
dc.subject	Εμπόδιο	el
dc.subject	Ελικόπτερο	el
dc.subject	Αλληλεπίδραση	el
dc.subject	Aerodynamics	en
dc.subject	Helicopter	en
dc.subject	Interaction	en
dc.subject	Ground	el
dc.subject	Obstacle	el
dc.title	Hovering helicopter interaction with the ground and bluff bodies: A CFD based investigation	en
dc.title	Αλληλεπίδραση αιωρούμενου ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια: Υπολογιστική Διερεύνηση	el
dc.contributor.department	Section of Fluids, Laboratory of Aerodynamics	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Αεροδυναμική	el
heal.classification	Aerodynamics	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-02-23
heal.abstract	The interactional phenomena occurring when a helicopter hovers in proximity to the ground and to 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 categorizes and classifies the interaction between the rotor and the ground/bluff bodies is missing. The present work takes into consideration several experimental campaigns, analyzes the results and then by using tools of different fidelity reproduces measured conditions. Through this process solid conclusions are extracted, substantiated both by experimental and computational evidence. 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 in the surroundings 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 without constrain below the rotor. As the rotor approaches the ground or an obstacle the jet flow and the vortices interact with the surrounding environment. This 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 remain close to the helicopter. The above phenomena are investigated by three different experimental campaigns conducted by Politecnico di Milano, the University of Glasgow, and ONERA. The test rigs resemble to each other but differ in certain parameters (rotor and obstacle dimensions, rotational speed, etc.). The helicopters that are used, are Mach scaled models leading to relatively low tip Re numbers (below 300000). To complete the classification of the interactional phenomena, measurements are compared against numerical predictions. Two different tools have been used. The first is a medium fidelity potential solver in which solid boundaries are treated as inviscid surfaces and the wake is modeled by free vortex particles. The velocity field is obtained by solving with a particles mesh technique two Poisson equations. This solver is used for simulating the majority of the cases because of its computational efficiency. Comparison between the predictions of the potential solver against the experiments revealed the limitations of the solver due to its inherent inviscid character. However, these limitations confirmed the first conclusion from the experimental data, which dictates that viscous effects are dominating the flow, especially when the rotor is in close proximity to the ground and the obstacle. In the direction of overcoming the above limitations and further elaborating the analysis of the interactional phenomena, a high fidelity hybrid solver is exploited. The hybrid solver couples a Lagrangian flow solver that covers the entire flow field with overlaid Eulerian solutions defined on confined regions around the contained solid boundaries. In this manner all boundary conditions are met (both on the solid and the far field boundaries). Simulations of the hybrid solver are performed in selective cases (those that the potential solver could not reproduce) as the computational cost of the model is significantly higher than that of the potential solver. Comparison of the hybrid model predictions 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.	en
heal.abstract	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. Όταν ένα ελικόπτερο προσγειώνεται ή απογειώνεται ο ομόρρους του αλληλεπιδρά με το έδαφος και με παρακείμενα 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 διαφοροποιείται ουσιωδώς συγκριτικά με το αντίστοιχο της πτήσης αιώρησης μακρυά από στερεά σύνορα. Η πτήση αιώρησης ελικοπτέρου μακρυά από το έδαφος χαρακτηρίζεται από τη δημιουργία μιας ροής δέσμης 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 στερεές 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 υπό κλίμακα. Οι διαστάσεις του ελικοπτέρου και των εμποδίων έχουν υποστεί ανάλογη μείωση ούτως ώστε να προσομοιάζουν την αλληλεπίδραση ελικοπτέρου με κτήριο. Η επιλογή των παραμλέτρων λειτουργίας του υπό κλίμακα μοντέλου 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 Γλασκόβης, ONERA) για σχετικά χαμηλούς αριθμούς Re (μικρότερους από 300000). Οι πειραματικές μετρήσεις αφορούν παρόμοιες διατάξεις με διαφορετικές παραμέτρους ωστόσο. Με αυτό τον τρόπο και αδιαστατοποιώντας 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 πιστότητας. 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, αναδείχθηκαν οι 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 παρήχθησαν συγκρίνονται πολύ καλά με τις πειραματικές μετρήσεις. Καταλήγοντας, κάνοντας χρήση τόσο πειραματικών δεδομένων από ανεξάρτητα πειράματα, όσο και υπολογιστικών αποτελεσμάτων διαφόρων μεθόδων, εξάγονται συμπεράσματα για το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια.	el
heal.advisorName	Ριζιώτης, Βασίλης	el
heal.advisorName	Riziotis, Vasilis	en
heal.committeeMemberName	Μπελιμπασάκης, Κώστας	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Νικολός, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Παπαδάκης, Γιώργος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Belibasakis, Kostas
heal.committeeMemberName	Bouris, Demetri
heal.committeeMemberName	Giannakoglou, Kyriakos
heal.committeeMemberName	Nikolos, Ioannis
heal.committeeMemberName	Papadakis, George
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyridon
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	219
heal.fullTextAvailability	false