Computational fluid dynamics investigation over a reconfigurable blade tip for helicopter rotors

This thesis aims to evaluate an accurate aerodynamic model for the study of a reconfigurable helicopter blade tip based on a dihedral angle variation. The phase of flight considered is hovering. It is known that a negative dihedral angle (so called anhedral angle) can improve performance during hovering but causes increased noise during forward flight due to blade-vortex interactions. The objective is to evaluate the effectiveness of a passive actuation of the tip reconfiguration mechanism through aeroelastic loads. Computational Fluid Dynamics is used as a tool to analyze the blade in different configurations. A previous study of a multi-body system with a simplified aerodynamic model was used to gather information about the blade orientation during flight, its inertial values and also as a base comparison to further extend the accuracy of the analysis. After validating the CFD model, various simulations of the blade at different anhedral angles were carried out. Besides, the variation of the tip hinge skew angle was deeply studied in order to find a possible better configuration. The obtained results are promising and indicate the possibility of passive actuation for a collective pitch lower than the one required for hovering. This value can easily be achieved during forward flight, thus allowing the reduction of the anhedral angle and the tip reconfiguration.

Questa tesi si propone di valutare un modello aerodinamico accurato per lo studio dell'estremità di una pala di elicottero riconfigurabile basata su una variazione dell'angolo di diedro. La fase di volo considerata è l'hovering. È noto che un angolo di diedro negativo (anedro) migliori le prestazioni durante l'hovering, ma sia causa di una maggiorazione del rumore per la presenza dell'interazione pala-vortice (blade-vortex interaction). L'obiettivo è quello di valutare l'efficacia di un'attuazione passiva tramite i carichi aeroelastici del meccanismo di riconfigurazione dell'estremità della pala. La fluidodinamica computazionale viene utilizzata come strumento per analizzare la pala in diverse configurazioni. Uno studio precedente di un sistema multicorpo con modello aerodinamico semplificato è stato utilizzato per raccogliere informazioni sull'orientamento della pala durante il volo, sui suoi valori inerziali e anche come base di confronto per estendere ulteriormente l'accuratezza dell'analisi. Dopo la validazione della mesh e delle condizioni al contorno di CFD, si è passati alla simulazione della pala a diversi angoli di diedro e al confronto con i risultati precedentemente ottenuti dal sistema multicorpo. Lo studio si è focalizzato anche sull'orientamento dell'asse della cerniera dell'estremità. I risultati ottenuti sono promettenti e indicano la possibilità di attuazione passiva per passi collettivi inferiori a quello necessario per l'hovering. Questi valori possono essere raggiunti durante il volo avanzato, permettendo così la riduzione dell'angolo di anedro e la riconfigurazione dell'estremità della pala.