Flutter analysis of open rotors

The thesis is aimed to show the importance of aeroelastic analysis, e.g. flutter prediction, in the preliminary design of Contra Rotating Open Rotor (CROR). To this end, the structural sub-system is modelled with the Finite-Element (FE) solvers NASTRAN® and ANSYS®. A comparison of natural frequencies and mode shapes is performed using both tetrahedral and shell element models. The aerodynamic subsystem is modelled with the Finite-Volume (FV) full potential solver ST . The solver model unsteady transonic flows by means of an independent approximation of the density and velocity potential fields. It can also model non-isentropic flows thanks to a new form of Kutta condition [53–55]. An ad hoc technique is developed for simulating the flow field around two lifting bodies with relative motion, i.e. the front and rear propeller stages. The flutter analyses are carried out using the so-called K-E(fficient) method (also used in NASTRAN® aeroelastic toolbox) and a root-tracking non-linear method for computing the V - g and V -w diagrams. The effectiveness of the proposed aeroelastic analysis for Single Rotating Propfan (SRP) is successfully assessed by tackling a set of realistic dynamic problems and by comparing the results with reference experimental and numerical data available in literature and with the results obtained by the Euler flow solver AeroX [44, 58]. The results of the CROR cannot be validated because there are neither data available in the literature nor other alternative procedures. Key words: aeroelasticity, contra-rotating open rotor, transonic flow, flutter, full potential.

Questo lavoro di tesi è volto a dimostrare l’importanza dell’analisi aeroelastica, e.g. predizione del flutter, nell’analisi preliminare di Contra Rotating Open Rotor (CROR). A tal fine, il sistema strutturale è modellato con i programmi ad elementi finiti NASTRAN® e ANSYS®. Viene condoto un confronto delle frequenze proprie e delle forme modali usando sia modelli ad elementi solidi (tetraedri) sia ad elementi di piastra. Il sistema aerodinamico è modellato con il solutore a potenziale a volumi finiti ST . Il programma risolve correnti transoniche non stazionarie grazie ad un’approssimazione indipendente per i campi della densità e del potenziale di velocità. Questo è anche in grado di risolvere correnti non isentropiche grazie ad una nuova forma della condizione di Kutta [53–55]. È stata sviluppata una tecnica ad hoc per simulare le correnti attorno a due corpi portanti in moto relativo (cioè lo stadio anteriore e posteriore). Le analisi di flutter sono effetuate con il metodo K-E(fficiente) (già usato nel toolbox aeroelastico di NASTRAN®) e con un metodo non lineare di inseguimento degli autovalori in modo da tracciare i diagrammi V - g e V -w. La validazione della tecnica proposta per l’analisi aeroelastica di Single Rotating Propfan è ampiamente supportata dal confronto dei risultati ottenuti con i dati sperimentali e numerici presenti in letteratura e con quelli ottenuti dal solutore euleriano AeroX [44, 58]. Non è stato possibile validare le tecniche per il CROR poichè non sono presenti dati in letteratura e non sono reperibili altri strumenti di analisi. Parole chiave: aeroelasticità, contra-rotating open rotor, regime transonico, flutter, aerodinamica a potenziale.