Numerical study of aerodynamic and aeroacoustic methods based on computational fluid dynamics for helicopter rotor flows : development, implementation and validation issues

The simulation of helicopter rotor flows and the prediction of rotor impulse noise are practically very challenging tasks from a computational perspective as the flight environment of a helicopter rotor contributes to extremely complex flow phenomena and noise generation mechanisms, For instance, such rotor systems often experience the Blade-Vortex Interaction (BVI) phenomenon in low-speed descending flight, where the rotating blades interact with tip vortices shed from previous blades, resulting in obtrusive noise levels; and/or operate in high-speed flight conditions, where shock waves appear in the blade tip region, resulting in highly impulsive transonic noise. While analytical, semi-empirical, and low-fidelity numerical approaches can quickly provide results suitable for performance analysis, they are poorly predictive as these models are insufficient to fully resolve the complicated flow phenomenon described above. With this in mind, the present work combines Computational Fluid Dynamics (CFD) methods with the Ffowcs-Williams and Hawking (FW-H) acoustic analogy to accurately calculate the aerodynamics and aeroacoustics of helicopter rotors. The core of this dissertation is divided into three main parts; (i) construct and validate a simulation framework for helicopter rotor wake modeling and rotor noise prediction; (ii) implement the two vortex feature-based second vorticity confinement (VC2) models into the CFD solver ROSITA and assess the capabilities of these two models in three-dominated flows; (iii) develop a three-dimensional r-refinement method that effectively concentrates mesh points into regions of interest without mesh tangling for improving the vorticity preservation in helicopter rotor flows. The first part of this thesis is dedicated to the construction and validation of the simulation framework for helicopter rotor aerodynamics and aeroacoustics. In this simulation framework, the CFD solver ROSITA is used for the simulation of helicopter rotor flows; a novel acoustic solver ROCAAP that employs the Retarded-Time based Permeable Surface FW-H (PS-FWH) equation for subsonic noise source and the Marching-Cube Emission-Surface (MCES) based PS-FWH equation for transonic/supersonic noise source is developed for noise prediction; a high-efficient rotor trim algorithm that combines the original delta trim algorithm with multiple levels of the grid and temporal resolutions is proposed for obtaining the trimmed rotor in forwarding flight. The validation work is then performed through a sequence of numerical test cases. Firstly, the acoustic solver is validated by comparing with analytical spherical monopole source solutions and the well-established WOPWOP solutions; three well-documented forwarding flight rotors are then employed to validate the rotor trim method; finally, the performance of the integrated simulation framework is demonstrated via the prediction of the transonic rotor noise and the BVI rotor noise. In the second part, two locally normalized vortex feature detection techniques (non-dimensional Q and lambda_2 criteria) are combined with the original VC2 model, resulting in the FVC2-L2 and the FVC2-Q models, respectively. These two vortex feature-based VC2 models have been implemented into the CFD solver ROSITA and compared with the results of the standard CFD solver and those of the original VC2 model in two benchmark test cases (NACA0015 wing in steady state and Caradonna-Tung rotor in hover condition). The result shows that the performances of the feature-based VC2 models in terms of computational stability, aerodynamics prediction, vorticity preservation, and computational efficiency are significantly improved. In particular, the FVC2-L2 model allows using higher confinement parameter values to achieve better solutions than the FVC2-Q model. On this basis, the FVC2-L2 model is then adopted for the HART-II rotor descending flight case to enhance the prediction of the helicopter rotor BVI phenomenon. Afterward, the non-lifting UH-1H hovering rotor case and the AH-1/OLS forwarding flight case are employed to demonstrate the ability of the FVC2-L2 model to provide more reliable noise predictions than the non-VC models, even if there are no tip vortices shed from the blade tip. The third part of this thesis describes an effective three-dimensional r-refinement method to improve the vorticity preservation in helicopter rotor flows. This approach relies on the Jacobian-weighted elliptic grid generation method, which derives from the combination of the variational principle and the least-square fitting of the inverse Jacobian matrix to the weight matrix. In this part, the original Jacobian-weighted elliptic method is extended from two dimensions to three, and the derivation of the weight matrix in three dimensions is presented for the first time. Several practical test examples are used to preliminary validate this three-dimensional method. The results show that this method is effective and reliable in generating grids without mesh tangling after the redistribution procedure. Furthermore, the potential of this method in the application of helicopter rotor flows is also demonstrated.

La simulazione dei flussi di rotore di elicottero e la previsione del rumore d'impulso del rotore sono compiti praticamente molto impegnativi dal punto di vista computazionale, poiché l'ambiente di volo di un rotore di elicottero contribuisce a fenomeni di flusso estremamente complessi e a meccanismi di generazione di rumore. Ad esempio, tali sistemi di rotore spesso sperimentano il fenomeno dell'Interazione Lama-Vortice (BVI) durante il volo discendente a bassa velocità, dove le pale rotanti interagiscono con i vortici di punta risultanti dalle pale precedenti, generando livelli di rumore fastidiosi; oppure operano in condizioni di volo ad alta velocità, dove compaiono onde d'urto nella regione della punta della lama, generando rumore transonico altamente impulsivo. Mentre gli approcci analitici, semiempirici e a bassa fedeltà numerica possono fornire rapidamente risultati adatti per l'analisi delle prestazioni, sono scarsamente predittivi poiché questi modelli sono insufficienti a risolvere pienamente il complesso fenomeno di flusso descritto sopra. Tenendo presente questo, il presente lavoro combina i metodi della Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD) con l'analogia acustica di Ffowcs-Williams e Hawking (FW-H) per calcolare con precisione l'aerodinamica e l'aeroacustica dei rotori di elicottero. Il cuore di questa tesi è diviso in tre parti principali: (i) costruire e validare un quadro di simulazione per la modellizzazione del wake di rotore di elicottero e la previsione del rumore del rotore; (ii) implementare i due modelli basati sulla caratteristica del vortice secondo la confinamento di vorticità (VC2) nel risolutore CFD ROSITA e valutare le capacità di questi due modelli in flussi dominati da tre; (iii) sviluppare un metodo di r-refinement tridimensionale che concentri efficacemente i punti di maglia nella regione di interesse senza intrecciamento di maglia per migliorare la conservazione della vorticità nei flussi di rotore di elicottero. La prima parte di questa tesi è dedicata alla costruzione e alla validazione del framework di simulazione per l'aerodinamica e l'aeroacustica del rotore del elicottero. In questo framework di simulazione, il solutore CFD ROSITA viene utilizzato per la simulazione dei flussi del rotore del elicottero; è stato sviluppato un nuovo solutore acustico ROCAAP che utilizza l'equazione PS-FWH basata su Tempo Ritardato per la fonte di rumore sottosonico e l'equazione PS-FWH basata su Superficie di Emissione Marching-Cube per la fonte di rumore transonico/supersonico; viene proposto un algoritmo di assetto del rotore altamente efficiente che combina l'algoritmo originale delta trim con più livelli di risoluzione della griglia e temporale per ottenere il rotore equilibrato in volo avanzato. Il lavoro di validazione viene quindi effettuato attraverso una serie di casi di test numerici. In primo luogo, il solutore acustico viene convalidato confrontando le soluzioni con fonti analitiche di monopolo sferiche e le soluzioni ben stabilite di WOPWOP; vengono quindi utilizzati tre rotori ben documentati per la validazione del metodo di assetto del rotore; infine, le prestazioni del framework di simulazione integrato vengono dimostrate attraverso la previsione del rumore del rotore transonico e del rumore del rotore BVI. Nella seconda parte, due tecniche di rilevamento di caratteristiche di vortice normalizzate localmente (criteri non dimensionali Q e lambda_2) vengono combinate con il modello VC2 originale, risultando nei modelli FVC2-L2 e FVC2-Q, rispettivamente. Questi due modelli VC2 basati sulle caratteristiche di vortice sono stati implementati nel solutore CFD ROSITA e confrontati con i risultati del solutore CFD standard e con quelli del modello VC2 originale in due casi di prova di riferimento (ala NACA0015 in stato stazionario e rotor Caradonna-Tung in condizione di hover). Il risultato mostra che le prestazioni dei modelli VC2 basati sulle caratteristiche in termini di stabilità computazionale, previsione aerodinamica, conservazione della vorticità e efficienza computazionale sono significativamente migliorate. In particolare, il modello FVC2-L2 consente di utilizzare valori di parametro di confinamento più elevati per ottenere soluzioni migliori rispetto al modello FVC2-Q. Su questa base, il modello FVC2-L2 viene adottato per il caso di volo in discesa del rotor HART-II per migliorare la previsione del fenomeno BVI del rotor elicottero. Successivamente, i casi di elicottero in volo a regime senza sollevamento UH-1H e in avanti AH-1/OLS sono utilizzati per dimostrare la capacità del modello FVC2-L2 di fornire previsioni più affidabili del rumore rispetto ai modelli non VC, anche se non ci sono vortici di estremità espulsi dalla punta della lama. La terza parte di questa tesi descrive un metodo di raffinamento tridimensionale efficace per migliorare la conservazione della vorticità nei flussi di rotore di elicottero. Questo approccio si basa sul metodo di generazione di griglia ellittica pesata dalla Jacobiana, che deriva dalla combinazione del principio variazionale e del miglior adattamento quadratico della matrice Jacobiana inversa alla matrice peso. In questa parte, il metodo originale ellittico pesato dalla Jacobiana viene esteso da due dimensioni a tre, e la derivazione della matrice peso in tre dimensioni viene presentata per la prima volta. Vengono utilizzati diversi esempi di test pratici per la validazione preliminare di questo metodo tridimensionale. I risultati mostrano che questo metodo è efficace e affidabile nella generazione di griglie senza intreccio di mesh dopo la procedura di redistribuzione. Inoltre, il potenziale di questo metodo nell'applicazione dei flussi di rotore di elicottero viene anche dimostrato.