Modelli di scia per simulazioni real time nell’ambito della meccanica del volo

The capability of modelling and representing the wake of a rotorcraft is essential to properly simulate most of the flight conditions, if not all. The accurate representation of the rotor wakes is still a challenge, due to the high computational power required by a complete Free Wake model; notwithstanding the constant increase of computer power, it is still impossible to perform a complete Free Wake simulation of helicopter rotor wakes in real time. In the present work the problem is tackled in two different ways, but in both cases the wake model is separated from the inflow one’s. The first approach is to develop models able to perform accurate analysis in steady flight conditions; these models are essentially static, completely independent of the time variable. These wakes instantly fit to actual flight condition without memory of their previous configuration. Specifically, two models are considered: first, the simplest one, in which a constant inclination of the wake axes is assumed, and then a second one, in which the effect of the acceleration due to the increase in downstream velocity induced by the rotor is taken into account. In a second step a dynamic model is implemented; it’s the FastFreeWake (FFW) rotor wake model, which allows to perform maneuvering flight analysis, while respecting the constraint of low computational request, allowing the FFW model to run in real-time on common desktop machines, with good margin for other simulations. The basic element of the FFW model is represented by a set of singularities – vortex rings – which constitute the wake. The models are described and then validated in several conditions: hover, forward flight and the FFW one’s also in descent flight, and in IGE condition. The validation is both qualitative, in terms of velocity field and wake geometry, and quantitative in comparison with experimental and theoretical results.

La capacità di modellare correttamente la scia di un velivolo ad ala rotante in tutte le condizioni di volo è essenziale per effettuare delle simulazioni il più realistiche possibili. La modellazione accurata della scia del rotore rappresenta a tutt’oggi un problema non risolto, a causa della potenza computazionale richiesta da una simulazione Free Wake, ancora non compatibile con analisi in real-time. Nel presente lavoro si è cercato di affrontare il problema in due modalità differenti, ma accomunate dal concetto di realizzare un modello di scia separato dai calcoli relativi all’influsso del rotore, cui si aggancia. In una prima fase vengono sviluppati dei modelli che permettono di effettuare ana- lisi accurate in condizioni di volo stazionario, trattandosi di modelli essenzialmente statici, in cui non compare la variabile temporale. Si hanno quindi delle scie che si adattano alla condizione di volo in modo istantaneo, senza memoria della loro configurazione precedente. Due sono i modelli considerati: un primo più semplice in cui si assume un’inclinazione costante dell’asse della scia, che non tiene quindi conto dell’accelerazione dovuta all’aumento verso valle della velocità indotta dal rotore, ed un secondo in cui questo fenomeno viene invece tenuto in considerazione. In una seconda fase viene realizzato un modello dinamico, il modello FastFreeWake (FFW), che permette analisi in manovra più accurate, rispettando però il vincolo di tempi computazionali ridotti, che consentono di effettuare le analisi anche su comuni PC desktop, lasciando un buon margine per altre simulazioni. Tale modello consiste essenzialmente in un rilascio ad ogni istante temporale di un anello vorticoso dal disco del rotore, anelli vorticosi, che influenzandosi mutualmente andranno a formare la scia. I modelli proposti sono infine applicati e validati qualitativamente e quantitativamente. Particolare attenzione è stata posta alla validazione del modello FFW, attraverso simulazioni in hover, in volo avanzato, ed in volo verticale, sia in condizione di IGE che di OGE. I risultati ottenuti sono confrontati nel dettaglio con dati sperimentali, e con modelli teorici.