BOS-based three-dimensional reconstruction of rotor blade tip vortices

A research topic of the Institute of Aerodynamics and Flow Technology in Göttingen is the investigation of blade tip vortices created by helicopter rotors. These vortices are investigated both on free-flying helicopters in different flight situations and on a rotor test stand. A measurement technique that is used to visualize these vortices is the density based background-oriented schlieren (BOS) method. The subject of this work is the three-dimensional vortex reconstruction based on stereoscopic BOS measurements. Therefore, a reconstruction scheme based on epipolar geometry was developed and applied to vortex filaments that were recorded in two different experiments. First, a model helicopter in free flight was investigated and it was possible to reconstruct significant parts of the vortex system up to a maximum vortex age Ψv above 600° during an unsteady takeoff maneuver in ground effect. The developed evaluation scheme was subsequently adapted and applied to the vortex system generated by a rotor test stand with cyclic pitch control. Vortex filaments of the rotor in cyclic pitch conditions were reconstructed and the vortex convection was investigated. The evaluation of a larger sample number of 200 measurement images in quasi-steady conditions showed a significant scatter in the vortex locations, which is in agreement with previous findings. The developed reconstruction scheme allows an automated extraction of vortex positions for a multitude of test conditions at the rotor test stand for future investigations.

Un argomento di ricerca dell'istituto di aerodinamica di Gottinga è l'investigazione dei vortici di punta di pala creati dal rotore di un elicottero. Questi vortici sono analizzati sia su elicotteri in volo libero in diverse condizioni di volo, sia su un apparato rotorico. La tecnica di misura che è stata utilizzata per visualizzare questi vortici è la background-oriented schlieren (BOS). Lo scopo di questo lavoro è stato la ricostruzione tridimensionale dei vortici a partire da misure stereoscopiche BOS. Si è dunque sviluppato uno schema di ricostruzione basato sulla geometria epipolare, applicato ai filamenti dei vortici registrati in due esperimenti differenti. La prima analisi si è focalizzata sul modello di un elicottero in volo libero ed è stato possibile ricostruire parti significative del sistema di vortici fino a un'età di vortice, Ψv, superiore a 600° durante una manovra di decollo non stazionaria in effetto suolo. Lo schema sviluppato è stato successivamente adattato ed applicato ad un sistema di vortici generato da un apparato rotorico con controllo di pitch ciclico. I filamenti dei vortici del rotore in condizioni di pitch sono stati ricostruiti e la loro convezione è stata esaminata. La valutazione di 200 immagini di misura, in condizioni quasi stazionarie, ha evidenziato uno scatter significativo nella posizione dei vortici, in accordo con precedenti risultati. Lo schema di ricostruzione sviluppato permetterà l'estrazione automatica della posizione dei vortici per una moltitudine di diverse prove all'apparato rotorico per studi futuri.