Hot-film measurements and data evaluation on rotor blade tip vortices in a wind tunnel

Helicopter rotors produce helical vortex systems originating from the blade tips, whose structure and evolution affect the aerodynamic performance, vibrational loads and acoustic emissions of the rotorcraft. This thesis investigates vortex properties in controlled wind-tunnel conditions and establishes a bridge to hover-like conditions. Constant-temperature hot-film anemometry was applied to a commercial two-bladed Aeronaut CAMcarbon 12×4.5" rotor operated in the 1-Meter Wind Tunnel Göttingen (1MG) at the German Aerospace Center (DLR). A dedicated, statistics-driven workflow overcomes the limitations of the pointwise technique by modeling the distribution of vortex detections across rotor radial locations at fixed axial stations with a Gaussian envelope, while probability ellipses quantify local dispersion and confidence. Core radii are estimated from near-diametral crossings using an upper-quantile selector, and centerline kinematics yield the convective speed required to extract swirl and circulation. Complementary thrust and velocity measurements with a downstream flow restrictor quantify facility-induced inflow and enable normalization for comparisons with hover datasets. The measured trajectories exhibit blade-bound separation, pairing and leap-frogging at high vortex ages. Vortex stretching is observed, with the core radius of the inner filament growing faster than that of the outer filament, and the outer filament transferring circulation to the inner while total circulation remains approximately conserved. Measurements on an in-house single-bladed rotor showed noisy hot-film signatures and strong meandering; PIV snapshots indicate delayed, inboard roll-up at low tip Reynolds number, explaining the weaker near-tip signal. The proposed methodology provides reliable vortex metrics from pointwise data and a practical path to reconcile standard facility measurements with hover-like free-flow conditions.

I rotori degli elicotteri generano sistemi vorticosi elicoidali dalle estremità delle pale, la cui struttura ed evoluzione influenzano prestazioni aerodinamiche, carichi vibrazionali ed emissioni acustiche del velivolo. Questa tesi analizza le proprietà dei vortici in condizioni controllate di galleria del vento e stabilisce un collegamento con condizioni di hovering. L’anemometria a filo caldo a temperatura costante è stata applicata a un rotore bipala Aeronaut CAMcarbon 12×4.5", operante nella galleria del vento da 1 metro di Göttingen (1MG) del Centro Aerospaziale Tedesco (DLR). È stato sviluppato un flusso di analisi statistico che supera i limiti della tecnica puntuale: la distribuzione delle rilevazioni lungo le coordinate radiali, a stazioni assiali fissate, è modellata con un inviluppo gaussiano, mentre ellissi di probabilità quantificano dispersione e confidenza. I raggi del nucleo sono stimati da attraversamenti quasi diametrali tramite un selettore a quantile superiore; la cinematica della linea centrale fornisce la velocità convettiva necessaria per ricavare velocità circonferenziale e circolazione. Misure complementari di spinta e velocità, con un restrittore di flusso a valle, consentono di quantificare il flusso entrante indotto dalla galleria del vento e di normalizzare i dati per il confronto con dataset in hovering. Le traiettorie misurate mostrano separazione vincolata alla pala, accoppiamento e leap-frogging a elevate età di vortice. Si osserva allungamento del vortice con il raggio del nucleo del filamento interno che cresce più rapidamente di quello esterno, mentre quest’ultimo trasferisce circolazione al primo mantenendo quasi costante la circolazione totale. Misure su un rotore monopala realizzato internamente evidenziano segnali a filo caldo rumorosi e forte meandraggio; le immagini PIV indicano un avvolgimento del vortice ritardato e spostato verso l’interno a bassi numeri di Reynolds di estremità, con conseguente indebolimento del segnale vicino all’estremità della pala. La metodologia proposta fornisce metriche affidabili dei vortici da dati puntuali e un percorso pratico per riconciliare misure di galleria con condizioni di hovering in flusso libero.