Assessment of advanced time integration approaches for contra-rotating open rotor simulations

The industrial application of contra-rotating open rotor configurations may represent a milestone in the evolution of aeronautical propulsion systems. In fact these kinds of propeller allow to obtain a very high gain of efficiency, thanks to the low swirl component present in the wake and the high by-pass ratio. This principle is not a new idea, but problems related to noise emissions and installation effects have prevented its application from being diffused in a large industrial context during the last thirty years. Nowadays the interest in this technical solution is supported by economic and environmental motivations as well as innovative mathematical and computational capabilities.The goal of this work is the set up of CROR CFD simulations by using the elsA code, developed by Cerfacs and Onera. The main purpose is the application of unsteady time integration methods, in order to allow a complete analysis of rotor-rotor interactions. Therefore the challenge of the presented calculations is the assessment of some simulation techniques typically used in turbomachine analysis, in a context of external aerodynamics.In particular the steady mixing plane technique and the unsteady chorochronic approach have been applied. The simulation set up is presented through the steps of physical consistency analysis, verification and validation. These three sections represent the whole process from the prediction of the reality, to the analysis of the results. This allows to show all the particularities that have been brought to light in the use of the mesh generator Autogrid, the solver elsA, and in the post-processing of the results.

L'applicazione industriale della configurazione a rotori non carenati contro-rotanti può costituire un vera e propria svolta nell'evoluzione dei sistemi propulsivi aeronautici. Questo tipo di eliche, infatti, assicura un elevato incremento di efficienza grazie alla ridotta componente di velocità tangenziale nella scia e all'altissimo rapporto di diluizione che è possibile ottenere senza carenatura. Tale configurazione non si basa su un principio innovativo, ma una sua larga diffusione in ambito industriale è stata impedita durante gli ultimi trent'anni da problemi legati all'elevato rumore e a fenomeni di accoppiamento aeroelastico con il resto del velivolo. Oggi l'interesse verso questa soluzione tecnica è rinato supportato da motivazioni economiche e ambientali che possono basarsi su metodi numerici innovativi ed elevate potenze di calcolo. L'obiettivo di questo lavoro è la messa a punto di simulazioni numeriche di rotori non carenati contro-rotanti utilizzando il codice elsA, sviluppato da Cerfacs e Onera. Lo scopo principale è l'applicazione di metodi d'integrazione temporale non stazionari, al fine di permettere una completa e accurata analisi delle interazioni tra i due rotori. La peculiarità di questo studio è quindi costituita dall'utilizzo di tecniche di simulazione specifiche per analisi di turbomacchine, in un contesto di aerodinamica esterna. In particolare sono stati utilizzati gli approcci mixing-plane e chorochronic. La trattazione presenta le tre fasi che costituiscono il processo di simulazione, dalla previsione della fisica da modellare, all'analisi dei risultati: analisi fisica, verifica e validazione. Esse permettono di illustrare gli elementi che contraddistinguono il caso in esame rispetto alla simulazione di una turbomacchina convenzionale.