Accelerated CFD-based Framework for Ship-Landing Operations

The aerodynamic flow over the superstructure and flight deck of a navy ship may create a turbulent environment with complex vortical structures, which can adversely affect the launch and recovery of rotorcraft. The ship airwakes are known to generate steep velocity gradients, unsteady recirculating flows and turbulent eddies of various scales and energy. In practice, ship airwakes manifest as intense zones of unsteady upwash/downwash over the flight deck inducing strong vibratory loads on the rotor and potentially leading to the loss of controllability. Considering also the influence of rough sea conditions and consequent oscillations of the ship deck, these factors can make the safe landing of rotorcraft unattainable. Nowadays, the definition of a safe flight envelope for rotorcraft certification requires an on-site campaign made of flight tests for every approach direction, as well as different wind conditions, resulting in a non-negligible environmental impact and significant economic expense. In this perspective, the present work aims at simplifying the qualification process exploiting information acquired using wind tunnel tests combined with high-fidelity CFD models. The objective of this study entails the progressive introduction of various models in a systematic and sequential manner. Initially, a simulation of the Simple Frigate Shape 1 geometry is established, and its accuracy is validated through experimental findings derived from the available isolated ship wind tunnel data from Politecnico di Milano. Both Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and Large Eddy Simulation (LES) techniques are employed for specific purposes, with a focus on fine-tuning the RANS turbulence model to suit ship-landing conditions through an automatic optimization routine. Subsequently, the validated CFD model is utilized to conduct a comparative analysis with a scaled-down version of the geometry to assess the effects of scaling. By examining the consistency between numerical simulations at full and reduced scales, it becomes possible to evaluate the influence of the model’s scale on the flow field properties. A thorough understanding of the scaling effects enables the assessment of whether reduced-scale models, which are beneficial in terms of reducing certification costs, can maintain a high level of coherence with real-world scenarios. In the final stage, the investigation extends to different techniques to model the rotor as an actuator disk and, utilizing the ship-rotor wind tunnel data from Politecnico di Milano, loads on the rotorcraft are computed and validated. The cutting-edge aspect of this topic lies in the development of UVBM, a virtual blade model based on a full two-way coupling between the CFD solver and the rotor mechanics code. This novel approach opens up unprecedented opportunities enabling real-time interaction between rotor and ship aerodynamics.

Il campo di moto aerodinamico attorno alla sovrastruttura e al ponte di atterraggio di una frigata può creare un flusso turbolento con strutture vorticose complesse, che possono influire negativamente sul decollo e sull'atterraggio di elicotteri. È noto come all'interno della scia di una nave si generino forti gradienti di velocità, zone di ricircolo instabili e vortici turbolenti di varia scala ed energia. In particolare, tale scia si manifesta come intense zone di upwash/downwash sul ponte di atterraggio, inducendo forti carichi vibratori sul rotore e potenzialmente portando alla perdita di controllabilità. Considerando anche l'influenza delle condizioni di mare mosso e le conseguenti oscillazioni della nave, questi fattori possono rendere difficile l'atterraggio in sicurezza degli elicotteri. Ad oggi, la definizione di un inviluppo di volo sicuro per la certificazione di elicotteri richiede una campagna di prove di volo in loco per ogni direzione di avvicinamento e per diverse condizioni di vento, con un impatto ambientale non trascurabile e una spesa economica significativa. In quest'ottica, il presente lavoro mira a semplificare il processo di qualificazione sfruttando le informazioni acquisite mediante prove in galleria del vento combinate con modelli CFD ad alta fedeltà. Questo studio prevede l'introduzione progressiva di vari modelli in modo sistematico e sequenziale. Inizialmente, un modello per la simulazione della Simple Frigate Ship 1 (SFS1) viene sviluppato, e l'accuratezza dei risultati viene validata attraverso i risultati sperimentali ottenuti nella galleria del vento del Politecnico di Milano. Simulazioni RANS e LES sono entrambe utilizzate per scopi specifici, con particolare attenzione alla messa a punto del modello di turbolenza RANS affinché si adatti alle condizioni operative dello ship-landing mediante una routine di ottimizzazione automatica. Successivamente, il modello CFD validato viene utilizzato per condurre un'analisi comparativa a diversi numeri di Reynolds per valutare gli effetti di scala. Esaminando la coerenza tra le simulazioni numeriche alle diverse scale, è possibile valutare l'influenza della scala del modello sulle proprietà del campo di moto. Una comprensione approfondita degli effetti di scala consente di valutare se i modelli a scala ridotta, vantaggiosi in termini di riduzione dei costi di certificazione, possono mantenere un elevato livello di coerenza con gli scenari reali. Nella fase finale, l'indagine si estende allo sviluppo e comparazione di diverse tecniche di modellazione del rotore mediante disco attuatore e, utilizzando i dati della galleria del vento del Politecnico di Milano, tali risultati numerici sono validati. L'aspetto d'avanguardia di questo argomento risiede nello sviluppo di UVBM, un virtual blade model basato su un two-way coupling tra il solutore CFD and il codice della meccanica del rotore.