Experimental and numerical investigation of ship airwake flows in oblique wind conditions for ship-landing operations

Ship-landing operations are extremely complex, both from an operational and a design perspective. The airflow field is strongly influenced by the ship’s structure, which creates velocity gradients and recirculation zones that affect the helicopter’s operability during landing or takeoff: the resulting vibration loads increase the pilot’s workload and can potentially cause the aircraft to become uncontrollable. This paper aims to contribute to the definition of a flight envelope for this type of operation, currently carried out through full-scale tests, using computational fluid dynamics. In particular, the PIV results of a campaign of experiments conducted in GVPM on a SFS1-type scale ship model, in a configuration in which it was rotated by 30 degrees, were considered as a baseline. These were used for a comparison that led to the definition of the RANS turbulence model that best approximated the motion field in the landing area, i.e., the aft deck behind the ship’s superstructure. The simulation results indicate that the Standard k − ϵ model is the most accurate, used for a subsequent analysis of the flow around the rotated ship. In the final phase of the study, the robustness of the Realizable k − ϵ model optimized by A. Crotta and M. Greppi for headwind conditions [1] was evaluated: it was applied to the case of a scale model of a building, taken from Y. Tominaga et al. [19]. In some aspects, such as the reattachment length after separation, the optimized model is more valid than others considered in comparison with experimental data, while it loses accuracy in the reproduction of the downstream vortex. Finally, the dependence on Reynolds of the velocity profiles downstream of the building model was evaluated: while maintaining consistency in form, they proved to be quite different quantitatively, confirming their dependence.

Le operazioni di appontaggio rappresentano una sfida di grande complessità sia dal punto di vista operativo, sia da quello progettuale. Il campo di moto dell’aria è fortemente influenzato dalla struttura della nave, che crea gradienti di velocità e zone di ricircolo che influiscono sull’operabilità dell’elicottero in atterraggio o decollo: le sollecitazioni di namiche da questi indotti portano a maggior carico di lavoro per il pilota fino a diventare potenzialmente causa di perdita di controllabilità dell’aeromobile. Il presente elaborato si pone l’obiettivo di contribuire alla definizione di un inviluppo di volo per questo tipo di operazioni, ad oggi svolta tramite prove in scala reale, utilizzando la fluidodinamica computazionale. In particolare, sono stati considerati come baseline i risultati PIV di una campagna di esperimenti condotti in GVPM su un modello di nave in scala di tipo SFS1, nella configurazione in cui fosse ruotato di 30 gradi. Questi sono serviti per un confronto che portasse alla definizione del modello di turbolenza RANS che meglio approssimasse il campo di moto nella zona di appontaggio, ovvero il ponte di poppa dietro la super struttura della nave. I risultati delle simulazioni indicano come più accurato il modello Standard k − ϵ, utilizzato per una successiva analisi del flusso attorno alla nave ruotata. Nella fase finale dell’elaborato è stata valutata la robustezza del Realizable k − ϵ ottimiz zato da A. Crotta e M. Greppi per il modello di nave in condizioni di vento frontale [1]: è stato applicato al caso di un edificio in scala, ripreso da Y. Tominaga et Al. [19]. Sotto alcuni aspetti, come la lunghezza di riattacco dopo la separazione, il modello ottimizzato risulta più valido di altri considerati nel confronto con i dati sperimentali, mentre perde accuratezza nella riproduzione del vortice a valle. È stata infine valutata la dipendenza dal Reynolds dei profili di velocità a valle del modello di edificio: pur mantenendo co erenza nella forma si sono rivelati piuttosto differenti quantitativamente, confermandone la dipendenza.