Experimental investigation of helicopter tail shake passive mitigation devices by particle image velocimetry

Helicopter tail shake is a menacing phenomenon for flight comfort and the stability of the aircraft. During a powered descent, the high AoA causes the flow over the engine cowling and rotor hub to separate, forming a highly turbu lent wake which contains large-scale eddies. This wake can impinge upon the tail empennages, introducing a harmonic forcing into the airframe, and when the excitation frequency matches the lower elastic modes of the structure, tail shake occurs. This thesis was carried out in collaboration with Leonardo Helicopter Division, it aims to investigate the tail shake phenomenon on the AW139 helicopter. To this end, a Particle Image Velocimetry (PIV) setup was designed for the company’s wind tunnel facility in Bresso, and four aerodynamic kits intended for tail shake mitigation were developed and tested. The aerodynamic features were designed with the objective of either redirecting the hub wake away from the tail or reducing the Turbulent Kinetic Energy (TKE) within the wake. For this purpose, a dorsal fin, a horse collar and two automotive-inspired spoilers were produced and tested, both individually and in combination, on a 1:8 scale AW139 wind tunnel model equipped with a rotating hub and blade shanks. The PIV campaign was conducted by imaging a plane located just upstream of the helicopter tail. Time-averaged measurements were taken with a stationary hub, while phase-locked measurements were performed with a rotating hub. Topological differences were observed with respect to the baseline configuration, and the tested configurations were classified with two indicators: the y-velocity, representing wake deviation, and the Turbulent Kinetic Energy (TKE), representing wake turbulence. The horse collar and the large spoiler, tested individually, provided the best results, both showing an improvement in vertical velocity and TKE. Further improvements were observed by combining the two components. A Dynamic Mode Decomposition (DMD) was also performed, allowing the identification of coherent flow structures and their characteristic frequency.

Il fenomeno del tail shake rappresenta un serio problema per il comfort di volo e la stabilità di un elicottero. Durante una discesa in potenza, l’elevato angolo d’incidenza provoca la separazione del flusso sulla cappottatura del motore e sul mozzo, generando una scia altamente turbolenta contenente strutture vorticose di grande scala. Tale scia può investire gli impennaggi di coda, introducendo una forzante armonica sulla struttura, e quando la frequenza di eccitazione coincide con i modi elastici inferiori di tale struttura, si manifesta il fenomeno del tail shake. Questa tesi, svolta in collaborazione con Leonardo Divisione Elicotteri, ha come obiettivo lo studio di tale fenomeno sull’elicottero AW139. A tal fine é stato progettato un setup di PIV per la galleria del vento aziendale di Bresso e sono stati sviluppati e testati quattro kit aerodinamici finalizzati alla mitigazione del fenomeno. I componenti sono stati concepiti con l’obiettivo di deviare la scia del mozzo lontano dalla coda o di ridurne l’energia cinetica turbolenta (TKE). A questo scopo sono stati realizzati e testati, singolarmente e in combinazione, una pinna dorsale, un horse collar e due spoiler ispirati al settore automobilistico, installati su un modello in scala 1:8 dell’AW139 equipaggiato con mozzo rotante e monconi di pala. La campagna PIV è stata condotta illuminando un piano situato a monte della coda dell’elicottero. Sono state effettuate misure mediate nel tempo con mozzo stazionario e in media di fase con mozzo rotante. Sono state osservate differenze topologiche significative rispetto alla configurazione baseline e le configurazioni sono state classificate in base a due indicatori: la velocità verticale, rappresentativa della deviazione della scia, e la TKE, indicativa del livello di turbolenza. L’horse collar e lo spoiler grande, testati singolarmente, hanno fornito i risultati migliori, mostrando un miglioramento di entrambi gli indicatori. La loro combinazione ha evidenziato ulteriori miglioramenti. È stata infine condotta una Dynamic Mode Decomposition (DMD), che ha permesso di identificare le strutture di flusso coerenti e le loro frequenze caratteristiche.