brownout modeling

The thesis compares different computational approaches for simulate brownout clouds. Brownout relates to blinding dust clouds stirred up by the helicopter rotor downwash during near-ground flight. This causes significant flight safety risks, including ground obstacle collisions and dynamic rollover due to sloped and uneven terrain. Operating helicopters in brownout conditions is very dangerous and has claimed many lives. Due to the complexity of these phenomena, and the safety issues they may generate, brownout has been studied using different approaches, both numerical and experimental. In terms of the computational investigations: brownout works may be divided into the two approaches used to predict the dust cloud: Lagrangian and Eulerian. A direct comparison of the two models is presented in the same framework, to define the best practice for brownout predictions. The present work involved the development of a Lagrangian particle tracking algorithm and an Eulerian model in the HMB3 (Helicopter Multi-Block) framework. Brownout clouds obtained with these models are compared with experimental results and between them. Results show that even if in proximity to a rotor, the accuracy of the two models is comparable, further from it the Lagrangian approach is more accurate than modelling based on the Eulerian approach. Furthermore, the two models are compared in terms of computational efficiency, and results show how Eulerian is a better model to predict brownout, due to its intrinsic abilities not to being affected in its computational efficiency by the amount of particles. In addition, brownout clouds are compared in terms of size at different rotor configurations. Results show how rotors with higher thrust coefficient are able to generate the more dangerous scenarios, generating bigger clouds than rotors operating at lower thrust coefficients.. The presence of the fuselage has also been studied, comparing cases with and without it. The thesis includes more safety aspects, including risks posed to ground personnel and nearby structures due to the strong outflow generated by hovering and taxiing rotorcraft. In this work, an analysis of safety operations is performed in terms of forces that ground personnel may suffer due to strong rotor outflows. Force distribution over the human body and total force are computed from the resolved flowfield around a rotor. Different single rotor configurations have been taken into account, and in all cases considered, the whole area around the rotor can be considered safe according to military-based thresholds.

La tesi mette a confronto diversi approcci computazionali per simulare la nuvola di sabbia causata dal brownout. Il Brownout si riferisce alle nubi di polvere accecanti sollevate dalla scia del rotore dell'elicottero durante il volo vicino al suolo. Questo fenomeno causa notevoli rischi per la sicurezza in volo, possono verificarsi collisioni con ostacoli al suolo e ribaltamento dell'elicottero. Operare con elicotteri in condizioni di brownout è molto pericoloso e ha causato molte vittime. A causa della complessità di questi fenomeni e dei problemi di sicurezza correlati, il brownout è stato studiato utilizzando diversi approcci, sia numerici che sperimentali. In termini di indagini computazionali: i lavori di brownout possono essere suddivisi nei due approcci utilizzati per prevedere la nube di polvere: Lagrangiano ed Euleriano. Nello stesso quadro viene presentato un confronto diretto tra i due modelli, per definire la migliore pratica per le previsioni di brownout. Il presente lavoro ha coinvolto lo sviluppo di un algoritmo lagrangiano di tracciamento di particelle e di un modello euleriano nel framework HMB3 (Helicopter Multi-Block). Le nubi di brownout ottenute con questi modelli vengono confrontate con i risultati sperimentali e tra di loro. I risultati mostrano che anche se in prossimità di un rotore, l'accuratezza dei due modelli è paragonabile, oltre a ciò l'approccio lagrangiano è più accurato della modellazione basata sull'approccio euleriano. Inoltre, i due modelli vengono confrontati in termini di efficienza computazionale, e i risultati mostrano come Euleriano sia un modello migliore per prevedere il brownout, grazie alla sua capacità intrinseca di non essere influenzato nella sua efficienza computazionale dalla quantità di particelle. Inoltre, le nubi di brownout vengono confrontate in termini di dimensioni a diverse configurazioni del rotore. I risultati mostrano come i rotori con coefficiente di spinta più elevato siano in grado di generare gli scenari più pericolosi, generando nuvole più grandi rispetto ai rotori che operano con coefficienti di spinta più bassi. Inoltre, l'impatto della fusoliera e' stato studiata, confrontando casi con e senza di essa. La tesi include più aspetti di sicurezza, compresi i rischi per il personale di terra e alle strutture vicine a causa del forte flusso generato dagli aeromobili ad ala rotante in volo stazionario e in rullaggio. In questo lavoro, viene effettuata un'analisi delle operazioni di sicurezza in termini di forze che il personale di terra può subire a causa della forte velocità del flusso d'aria del rotore. La distribuzione della forza sul corpo umano e la forza totale vengono calcolate dal campo di flusso attorno a un rotore. Sono state prese in considerazione diverse configurazioni del singolo rotore e, in tutti i casi considerati, è possibile considerare l'intera area attorno al rotore sicuro secondo le soglie militari.