Hot-film measurements and data evaluation of rotor tip vortices in a high pressure wind tunnel

Helicopter rotors generate helical vortex systems that emerge at the blade tips, impacting both the aerodynamic and aeroacoustic performance of the rotor. Vortex properties are of significant interest, and previous research indicates they are influenced by the vortex Reynolds number. Studies of blade tip vortices at high Reynolds numbers are challenging for both numerical approaches and full-scale experiments; therefore, the High Pressure Wind Tunnel Göttingen (HDG) is employed. The HDG was used to conduct measurements on a rotor scale model in a hyperbaric environment in order to obtain vortex Reynolds numbers similar to a full-scale helicopter rotor. As the present work focuses on a rotor in hovering condition and the experiments were carried out in a closed-loop wind tunnel, an optimally sized shield was placed downstream of the test section in order to control the inflow velocity of the rotor. The costant temperature hot-film anemometery technique was chosen for this study due to its applicability to hyperbaric conditions and high frequency response, necessary to capture the rapid velocity fluctutations in the small-scale structures that characterize rotor tip vortices. The results are compared to analytical vortex models to determine vortex characteristics such as position and core size when varying the Reynolds number. The findings demonstrate that the trajectory of the rotor tip vortices changes with the Reynolds number. Forced blade boundary layer transition showed an overall greater effect on the vortex trajectories than changing the Reynolds number in the range studied.

I rotori degli elicotteri generano vortici elicoidali che emergono alle estremità delle pale, influenzando le prestazioni sia aerodinamiche sia aeroacustiche del rotore. Le proprietà dei vortici sono di grande interesse, e ricerche precedenti indicano che esse sono influenzate dal numero di Reynolds del vortice. Lo studio dei vortici delle estremità delle pale a numeri di Reynolds elevati risulta complesso sia con approccio numerico sia con esperimenti su scala reale; pertanto, si è utilizzata la Galleria del Vento ad Alta Pressione di Gottinga (HDG). La HDG è stata impiegata per effettuare misurazioni su un modello in scala di un rotore in ambiente iperbarico al fine di ottenere numeri di Reynolds dei vortici simili a quelli di un rotore di elicottero a grandezza naturale. Poiché il presente lavoro si concentra su un rotore in condizioni di hovering e gli esperimenti sono stati condotti in una galleria del vento a circuito chiuso, a valle della sezione di prova è stato posizionato uno schermo di dimensioni ottimali per controllare la velocità dell’afflusso al rotore. Per questo studio è stata scelta la tecnica di anemometria a filo caldo a temperatura costante, in quanto la sua applicabilità non è influenzata dalle condizioni iperbariche. Inoltre, l’alta risposta in frequenza che caratterizza questa tecnica è necessaria per catturare le rapide fluttuazioni di velocità nelle piccole strutture dei vortici delle estremità delle pale del rotore. I risultati sono stati confrontati con modelli analitici di vortici per determinare caratteristiche come posizione e dimensione del nucleo al variare del numero di Reynolds. I risultati dimostrano che la traiettoria dei vortici alle estremità delle pale varia con il numero di Reynolds. La transizione forzata dello strato limite sulle pale ha mostrato un effetto complessivo maggiore sulle traiettorie dei vortici rispetto alla variazione del numero di Reynolds nell’intervallo studiato.