Vordruck für Mitteilung - Lehrstuhl für Aerodynamik und

Mitteilung
Projektgruppe/Fachkreis: Drehflügleraerodynamik
Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. M. Grawunder, Dipl.-Phys. R. Reß, Z. Babosek,
PD Dr. C. Breitsamter, Prof. Dr. N.A. Adams
Institution:
Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik,
Technische Universität München
Adresse:
Boltzmannstr. 15
Telefon: 089/28916394
85748 Garching b. München
Telefax: 089/28916138
E-Mail :
[email protected]
Weitere Partner:
Eurocopter Deutschland GmbH
Thema:
Numerische Simulation der Umströmung eines 5–BlattRotorkopfes
Der Rotorkopf von Helikoptern in Haupt-/Heckrotor-Konfiguration trägt entscheidend zum
Strömungswiderstand bei ( 20% - 30% des Gesamtwiderstands ) und verursacht infolge
der
Umströmung
der
einzelnen
Rotorkopfkomponenten
charakteristische
Nachlaufstrukturen. In bestimmten Flugzuständen wechselwirken die Nachlaufstrukturen mit
der Helikopterzelle [1]. Dies kann zu unerwünschten Phänomenen wie dem Tail-Shake
führen. Die Strömungsverhältnisse am Rotorkopf zu kennen, ist folglich für die Auslegung
und Leistungsrechnung von Bedeutung.
Ziel dieser Arbeit ist durch numerische Simulation zu bestimmen, welche Widerstands- und
Auftriebsanteile ein lagerloser 5-Blatt-Rotorkopf aufweist. Außerdem sollen die
charakteristischen Nachlaufstrukturen identifiziert und einzelnen Rotorkopfkomponenten
zugeordnet werden.
a) Gesamtansicht des isolierten Rotorkopfes
b) Detailansicht Blattanschluß
Abbildung 1: Die Komponenten des lagerlosen 5 – Blatt Rotorkopfes
Aufgrund der Komplexität der Strömungstopologie der gesamten Helikopterkonfiguration
wird damit begonnen, den isolierten Rotorkopf zu untersuchen. Abbildung 1 zeigt den
lagerlosen 5–Blatt-Rotorkopf. Er besteht aus Rotorwelle (1), Taumelscheibe (2),
Taumelscheibenmitnehmern (3), Blattanschlüssen/Flexbeams (4), Steuertüten (5), oberen
Steuerstangen (6), Schwenkdämpfern (7) und Hubcap (8). Die Blätter werden am ersten
auftriebserzeugenden Element in radialer Richtung abgeschnitten. Für die geplante Studie
ist das zweckmäßig, da die Umströmung der Blätter nicht analysiert werden soll. Außerdem
wird der Rotorkopf im Maßstab 1 : 5, entsprechend dem Maßstab des Windkanalmodells,
skaliert.
Zur Vorbereitung der Vernetzung der Geometrie werden kleinskalige Details entfernt.
Sämtliche Oberflächen werden geschlossen. Dies betrifft sowohl Bohrungen als auch die
Öffnung der Steuertüten an der Blattwurzel.
Abbildung 2 zeigt das Rechengebiet mit der Unterteilung in innere und äußere „Domain“.
Die innere Domain umschließt den gesamten Rotorkopf. Somit ist es möglich, die Rotation
des Rotorkopfes durch eine Rotation der inneren Domain abzubilden. Sowohl in der inneren
als auch in der äußeren Domain wird ein unstrukturiertes Netz verwendet, um das
Rechengebiet zu diskretisieren. Das Netz besteht aus Quadern, Pyramiden, Pentaedern und
Tetraedern. An den Oberflächen der Rotorkopfelemente wird eine Prismenschicht erzeugt,
um die Grenzschicht ausreichend genau aufzulösen. Die Basis für die Prismenschicht,
bestehend aus 21 Lagen, sind die Oberflächennetze. Das wandnächste Element weist ein
Dicke von 0,0012 mm auf ( y+ ≤ 0,75 ). Die erhöhte räumliche Auflösung der inneren Domain
wird stromab durch eine „Density Box“ in der äußeren Domain fortgeführt. Dadurch kann
der Nachlauf des Rotorkopfs feiner aufgelöst werden [2].
a)
Übersicht Netztopologie
b) Innere Domain (durchgezogene
Density Box (gestrichelte Linie)
Abbildung 2: Netztopologie dargestellt im Mittelschnitt
Linie),
Die Lösung der inkompressiblen Navier-Stokes-Gleichungen erfolgt mittels (U)RANSGleichungsmodellen. Die Turbulenzmodellierung basiert auf dem Shear-Stress-TransportModell von Menter. Zur räumlichen Diskretisierung wird ein High-Resolution-Schema, mit
einer Mischung aus Genauigkeit erster und zweiter Ordnung, verwendet. Eine zeitliche
Diskretisierung findet anhand des impliziten Backward-Euler-Verfahrens statt. Dieses
Verfahren ist zweiter Ordnung genau. Dabei wird für die stationären und instationären
Gleichungen ein lokaler beziehungsweise ein physikalischer Zeitschritt verwendet.
Anhand der vorliegenden Daten wird eine erste Betrachtung der einzelnen Widerstandsund Auftriebsanteile der Rotorkopfkomponenten vorgenommen.
Die weiteren Schritte dieser Arbeit sind:
-
Analyse des Einflusses der Azimut Position des Rotorkopfes auf die stationäre
Lösung.
Untersuchung des Einflusses des Anstellwinkels auf die stationäre Lösung.
Instationären Simulation der Rotorkopfumströmung zur Identifikation der
charakteristischen Nachlaufstrukturen.
Validierung der Ergebnisse durch experimentelle Daten.
Erhöhung der Modellkomplexität hin zur Konfiguration inklusive Rotorkopf und
Rumpf.
Geometrie Optimierung mit dem Ziel den Widerstand zu reduzieren.
Danksagung:
The research leading to these results have received funding from the European
Community's Seventh Framework Programme (FP/2007-2013) for the Clean Sky Joint
Technology Initiative under grant agreement number 270563.
Literatur:
[1] T. Kneisch et al., Optimised rotor head design for an Economic Helicopter. Proceedings
of the 37th European Rotorcraft Forum, Gallarate, Italy, 2011
[2] F. Vogel, C. Breitsamter, N.A. Adams, Aerodynamic Investigations on a Helicopter Main
Rotor Hub, American Helicopter Society 66th Annual Forum, Phoenix, Arizona, 2010
Datum: 06.10.2011