Sviluppo di un codice a vortici discreti per il calcolo della scia del rotore dell'elicottero

Vortex latex methods are commonly used in aeronautical applications for three-dimensional aerodynamic analysis and nowadays several software are available. The wake is represented by a lattice of panels consisting of vortex filaments that is constantly modified and distorted according to the local flow, maintaining the connections between the grid nodes. However, in helicopter applications this method risks becoming considerable instable because there is a less regular development and it contains strong interactions between wakes of the different blades. The panels can intertwine and bring the calculation to divergence without the appropriate precautions. In particular situations, such as the presence of an obstacle on which the wake impacts, this behavior is further accentuated. In this thesis, a calculation code is presented that takes up the theory of the lifting surface to represent the flow induced by a helicopter rotor. In order to avoid the drawbacks of a continuous representation of vorticity through segments, the field is approximated and discretized into point vortices, taking advantage of the abandonment of the lattice connectivity. A Vortex Blob method is implemented, in which the wake, initially composed by panels of vortex segments, is transformed into blobs with all the approximations and precautions required by this passage. This hybrid method is used and validated in three different interesting configurations for a rotor: hovering, ground effect and rotor-obstacle interaction. After a derivation and initial theoretical treatment of the vortex methods and the bases of the discrete vortex methods, a chapter on the practical details of the algorithm explains the coding setting. The central part exposes the validation of the method and the comparison of numerical results with experimental data, thus highlighting analogies, differences and accuracy of the code. The thesis ends with a chapter about possible future developments of the algorithm.

I vortex lattice methods sono comunemente usati per analisi aerodinamiche tridimensionali nelle applicazioni aeronautiche e diversi software sono ormai facilmente disponibili. La scia viene rappresentata attraverso un reticolo di pannelli composto da filamenti vorticosi che costantemente viene modificato e distorto secondo il flusso locale mantenendo le connessioni tra i nodi della griglia. In applicazioni elicotteristiche però, questo metodo rischia di incorrere in notevoli instabilità poiché è presente uno sviluppo meno regolare e contenente forti iterazioni tra le scie delle diverse pale. I pannelli possono intrecciarsi e portare il calcolo a divergenza senza le opportune accortezze. Se si analizzano situazioni particolari, come la presenza di un ostacolo sul quale la scia impatta, questo comportamento viene ulteriormente accentuato. In questa tesi, viene presentato un codice di calcolo che riprende la teoria della superficie portante per rappresentare il flusso indotto da un rotore di elicottero. Al fine di evitare gli inconvenienti di una rappresentazione continua della vorticità attraverso dei segmenti, il campo viene approssimato e discretizzato in vortici puntuali, traendo vantaggio dall'abbandono della connettività del reticolo. Viene così implementato un Vortex Blob method , in cui la scia, inizialmente composta da pannelli di segmenti vorticosi, viene trasformata in blobs con tutte le approssimazioni e le accortezze richieste da tale passaggio.Questo metodo ibrido viene utilizzato e validato in tre diverse configurazioni interessanti per un rotore: volo a punto fisso, effetto suolo e iterazioni con ostacolo. Dopo una derivazione e trattazione teorica iniziale dei vortex methods e delle basi dei metodi a vortici discreti, un capitolo sui dettagli pratici dell'algoritmo spiega l'impostazione della codifica. La parte centrale espone la validazione del metodo e il confronto dei risultati numerici con dati sperimentali, evidenziando così analogie, differenze e accuratezza del codice. La tesi termina con un capitolo sui possibili sviluppi futuri del codice.