CFD simulation of helicopter rotor flow based on the rotor disk model in OpenFOAM

The design phase of an object with a rotor is very complex. From the earliest stages of design, the knowledge of certain quantities value may be required. They must be obtained in a short time and they also should be as truthful as possible. In the computational fluid dynamics landscape there are tools that permits to simulate the behaviour of any object with rotors of any type. However, these methods cannot be used at a preliminary design stage, because, despite the excellent quality of the results, too much cost and too much time is needed to achieve them. Inside OpenFOAM are fortunately implemented simplified versions of these models, which allow the user to develop true simulations and obtain reliable results with an extremely lower computational and temporal cost. The one analyzed in this work is the rotorDisk: a disk made of cells is built within the computational domain; in these cells, the momentum conservation equations are modified by adding source terms which replicate the blades action on the fluid. But this method has strong limitations. Due to some model implementation errors, it provides acceptable results only in few flight configurations. For this reason the bulk code is analyzed in detail. Then, changes are proposed to eliminate the erroneous assumptions and make the algorithm applicable to any flight condition. Using the modified OpenFOAM version, four different test cases are simulated. Every simulation shows excellent results both for thrust estimation and fluid behaviour, far more accurate with respect to the ones obtained with the standard version of the software. At the end, the multiple uses of rotorDisk have been analyzed. It can be used to perform a check on the design on an intermediate level of complexity at a reasonable computational cost, not only for aeronautical application but also for wind turbine studies. Here a simulation of an entire drone under hovering conditions is described and studied in detail, obtaining again excellent results in comparison with the limited computational cost.

La fase di progettazione di un oggetto dotato di rotore è molto complessa. Fin dalle sue prime fasi, la conoscenza di determinate grandezze fisiche può essere richiesta. Questi valori devono essere ottenuti nel minor tempo possibile ed essere anche estremamente affidabili. Nel panorama della fluidodinamica computazionale esistono strumenti che permettono di simulare il comportamento di qualsiasi oggetto avente uno o più rotori. Tuttavia, questi metodi non possono essere utilizzati in una fase preliminare di progettazione, poiché, nonostante forniscano dei risultati eccellenti, sono necessarie troppe risorse computazionali e temporali per raggiungerli. All’interno di OpenFOAM sono fortunatamente implementate versioni semplificate di questi modelli, le quali consentono all’utente di sviluppare simulazioni veritiere e ottenere risultati affidabili con un costo computazionale e temporale estremamente inferiore. Il metodo analizzato in questo elaborato è rotorDisk: un disco di celle viene costruito all’interno del dominio computazionale; in queste celle, le equazioni di conservazione della quantità di moto sono modificate aggiungendo termini di sorgente, volti a replicare l’azione delle pale sul fluido. Questo metodo, però, ha forti limitazioni. A causa di alcuni errori di implementazione del modello, fornisce risultati accettabili solo in poche configurazioni di volo. Per questo motivo il codice in questione è analizzato nel dettaglio. Successivamente, sono proposte modifiche per eliminare le ipotesi errate e rendere l’algoritmo applicabile a qualsiasi condizione di volo. Utilizzando la versione modificata di OpenFOAM , vengono simulati quattro diversi casi di prova. Ogni simulazione mostra ottimi risultati sia per quanto riguarda il calcolo della spinta che per l’analisi del comportamento del fluido, molto più accurati rispetto a quelli ottenuti con la versione standard del software. Infine, sono stati analizzati i molteplici possibili usi di rotorDisk. Quest’ultimo può essere utilizzato per ottenere informazioni essenziali per effettuare scelte progettuali ad un livello intermedio di complessità e ad un costo computazionale ragionevole, non solo per applicazioni aeronautiche ma anche per studi su turbine eoliche. Viene poi descritta e studiata nel dettaglio una simulazione di un intero drone in hovering, ottenendo anche in questo caso ottimi risultati rispetto al limitato costo computazionale.