CFD analysis of an engine air intake for lightweight helicopters

This dissertation represents the final result of the work performed at the Technische Universität München within the Erasmus program. The work has to be contextualised within the "ATHENAI" project, part of the EU/Industry "Clean Sky" program, whose primary target is to develop innovative technologies able to revolutionise the environmental footprint of air transport. The "ATHENAI" project is conducted as a collaboration between the Technische Universität München and Airbus Helicopters with the main purpose of taking into analysis several engine air intake shapes to be used for helicopters and tiltrotor aircraft. In addition to that, it aims at the optimisation of baseline geometries in order to improve aerodynamic performances. The purpose of this thesis is to analyse the effects of an engine air intake, designed by Airbus Helicopters within the aforementioned project, on the air flow striking a lightweight twin-engine helicopter. The investigation is performed by means of stationary CFD simulations and deals with the flow structure and the pressure distribution both on the helicopter outer surface and in the engine air intake inner parts. The first part of the study is engaged with the problem concerning the correct specification of boundary conditions. In order to identify the most effective one, two distinct approaches are compared in terms of accuracy, stability and computational cost of the simulations, which are performed with a simplified geometry, featuring a closed surface in place of the engine air intake. Subsequently, the analysis' conclusions are employed to perform a new CFD simulation, using a more detailed geometry, equipped with the air intake. The effects of the engine air intake shapes on the flow field are then studied contrasting the CFD simulations; moreover, the results coming from the CFD simulation performed with the complete geometry are validated through a comparison with some experimental data taken from a wind tunnel campaign. Finally, the thesis provides the reader with some suggestions about the possible approaches to follow for CFD simulations of a flow striking a screen. In conclusion, it is highlighted that the effect of the engine air intake installation on the flow field is local only: as a matter of fact, pressure distribution is affected in the vicinity of the air intake only. The numerical simulations are validated by the comparison between the CFD simulation and the experimental data: it in fact shows an excellent similarity of results, especially in the fore part of the helicopter surface.

Questa tesi è il risultato finale del lavoro svolto presso la Technische Universität München nell'ambito del progetto Erasums. Il lavoro è parte integrante del progetto "ATHENAI", condotto da Airbus Helicopters in collaborazione con la Technische Universität München. Obiettivo primario di questo progetto è l'analisi delle prestazioni aerodinamiche relative a specifiche prese d'aria del motore progettate per elicotteri e convertiplani. Il fine ultimo è dunque quello di migliorare le geometrie inizialmente concepite attraverso l'ottimizzazione delle forme. Il progetto "ATHENAI" si sviluppa a partire dal programma "Clean Sky", sovvenzionato dall'Unione Europea e da privati con il fine di sviluppare tecnologie innovative in grado di rivoluzionare l'impatto del trasporto aereo sull'ambiente. Nello specifico, con il presente lavoro vengono analizzati gli effetti sul flusso d'aria prodotti da una presa d'aria installata su un elicottero bi-motore di ridotte dimensioni. La distribuzione di pressione sulla superficie esterna dell'elicottero e nella regione interna della presa d'aria è studiata per mezzo di simulazioni numeriche stazionarie realizzate attraverso la Computational Fluid Dynamics. Più nel dettaglio, nella prima parte del lavoro si affronta il problema riguardante le condizioni al contorno da imporre per la corretta definizione delle simulazioni: l'analisi viene effettuata utilizzando una geometria semplificata dell'elicottero, in cui la presa d'aria del motore viene sostituita da una carenatura. L'analisi prevede inoltre il confronto tra due possibili soluzioni in termini di accuratezza, stabilità e costo computazionale delle simulazioni; lo scopo è quello di determinare l'approccio più efficacie. Sulla base delle conclusioni tratte dall'analisi, viene effettuata una nuova simulazione numerica realizzata con una geometria più completa dell'elicottero, in cui, rispetto alla configurazione iniziale, viene aggiunta la presa d'aria del motore. Le simulazioni numeriche vengono quindi confrontate con lo scopo di mettere in luce la dipendenza tra il flusso d'aria e l'impiego della presa d'aria del motore. I risultati ottenuti dalla simulazione effettuata con la geometria completa vengono inoltre validati attraverso il confronto con i valori sperimentali ottenuti da misurazioni effettuate in galleria del vento. La tesi si conclude infine con la descrizione di due possibili approcci da adottare per l'esecuzione di una simulazione numerica in cui due griglie vengono aggiunte alla geometria della presa d'aria, come peraltro già previsto da una delle varianti del progetto. In conclusione, è possibile affermare che gli effetti sul flusso d'aria dovuti all'impiego della presa del motore sono solo locali: il campo di flusso viene infatti influenzato solamente in prossimità della presa d'aria stessa. Il confronto tra i dati sperimentali e quelli ottenuti attraverso la Computational Fluid Dynamics mostra inoltre una somiglianza molto stretta dei risultati, in particolare nella parte anteriore della superficie esterna del velivolo, dando così un'ulteriore conferma della corretta definizione delle simulazioni numeriche.