Improvement of a free-wake model for the analysis of a small-scale two-bladed propeller in hover with manufacturing-produced dissimilarities in the blade geometries

The aim of the present thesis is the improvement of a free-wake model for the analysis of a small-scale two-bladed propeller in hover. The simulations are carried out by using a BEM approach implemented in the CIRA medium-fidelity solver RAMSYS. An acoustic validation is also performed by using the CIRA developed tool ACO-FWH. The numerical results are compared to the experimental data produced by DLR and CIRA in the framework of the GARTEUR RC/AG-26 “Noise Radiation and Propagation for Multirotor System Configurations”. Preliminary investigations highlighted a substantially correct prediction of the aerodynamic performance of the propeller but the inability to correctly evaluate the details of its acoustic properties. This inability was attributed to some geometrical discrepancies found between the two blades of the propeller caused by manufacturing inaccuracies, not modeled by the medium fidelity solver. The thesis proves that even mild discrepancies in the propeller geometry must be accounted for as their influence is not negligible, especially on the aeroacoustics of the propeller. In particular, the proper modeling of the blades enables the correct identification of the sub-harmonics of the SPL spectra. The free-wake model implemented in RAMSYS is based on the Bhagwat-Leishman vortex core model, an upgraded version of the classical Lamb-Oseen one, which relies on the accurate selection of parameters describing the dissipative and diffusive properties of the flow. Suggestions on their values can be found in literature but they are mainly related to helicopter applications, whereas little can be found about their application to small-scale propellers. Therefore, an optimization procedure, based on the application of the evolutionary Genetic Algorithm, is followed in the thesis to properly identify the values of these parameters. This approach produces, on average, an additional enhancement of more than 5dB in the evaluation of the sub-harmonics in the SPL spectra obtained by modeling the blades dissimilarities. The results obtained demonstrate the full capability of a free-wake medium fidelity approach to simulate the aerodynamic and acoustic details of a small-scale propeller in hover, provided the accurate geometrical modeling of the propeller and the selection of suitable parameters to be used in the wake modeling.

L'obiettivo della presente tesi è il miglioramento di un modello a scia libera per l'analisi di un'elica bipala di piccole dimensioni in hovering. Le simulazioni sono state effettuate utilizzando un approccio BEM implementato nel solutore a media fedeltà del CIRA, RAMSYS. È stata eseguita anche una validazione acustica utilizzando lo strumento ACO-FWH sviluppato dal CIRA. I risultati numerici sono stati confrontati con i dati sperimentali prodotti da DLR e CIRA nell'ambito del progetto GARTEUR RC/AG-26 “Noise Radiation and Propagation for Multirotor System Configurations”. Le indagini preliminari hanno evidenziato una previsione sostanzialmente corretta delle prestazioni aerodinamiche dell'elica ma, allo stesso tempo, l'incapacità di valutare correttamente i dettagli delle sue proprietà acustiche. Questa incapacità è stata attribuita ad alcune discrepanze geometriche riscontrate tra le due pale dell'elica causate da imprecisioni di fabbricazione, non modellate dal solutore a media fedeltà. La tesi dimostra che anche lievi discrepanze nella geometria dell'elica devono essere tenute in conto, poiché la loro influenza non è trascurabile, soprattutto, sull'aeroacustica dell'elica. In particolare, la corretta modellazione delle pale consente di identificare correttamente le subarmoniche degli spettri SPL. Il modello di free-wake implementato in RAMSYS si basa sul modello del nucleo del vortice di Bhagwat-Leishman, una versione aggiornata del classico modello di Lamb-Oseen che si basa sulla selezione dei parametri che descrivono le proprietà dissipative e diffusive del flusso. In letteratura si possono trovare suggerimenti sui loro valori ma sono principalmente relativi ad applicazioni su elicotteri, sono disponibile poche informazioni sulla loro applicazione a eliche di piccola scala. Pertanto, nella tesi viene seguita una procedura di ottimizzazione, basata sull'applicazione dell'algoritmo genetico evolutivo, per identificare correttamente i valori di questi parametri. Questo approccio produce, in media, un miglioramento aggiuntivo di oltre 5 dB nella valutazione delle subarmoniche negli spettri SPL ottenuti modellando le dissimmetrie delle pale. I risultati ottenuti dimostrano la piena capacità di un approccio di media fedeltà con scia libera di simulare i dettagli aerodinamici e acustici di un'elica di piccole dimensioni in hovering, a condizione di un'accurata modellazione geometrica dell'elica e della selezione di parametri adeguati da utilizzare nella modellazione della scia.