Computational fluid dynamics and experimental study of AW609 tilt rotor engine bay

The engine bay is one of the essential components of the nacelle of AW 609 Tilt Rotor, since its correct working determines a good performance of the engine aircraft and assures safe maneuvers in every flight conditions. The correct designs of the nacelle and of the exhaust are two fundamental elements to obtain these operative purposes. The exhaust configuration of AW 609 Tilt Rotor has been subjected to several technical changes. It represents a delicate issue, since it ejects hot gasses which can burn the nacelle panel and create serious problems of ground heating. These drawbacks have been met in the past and therefore, it is necessary to design and build a new configuration, which is able to face and solve these problems with a correct cooling of the hot gasses flow. An innovative shape of the exhaust has been realized and this analysis aims to evaluate the benefits of its installation, by comparing the final results of the simulation with the data picked up on the aircraft by the available instrumentation. The first purpose of this Computational Fluid Dynamic (CFD) analysis consists in the study of the temperature distributions inside the engine bay and of the outlet flow influences on the aircraft. These two topics are examined in different operative conditions based on the mass flow of the fresh air introduced into the nacelle, which can determine an efficient cooling both of the engine wall and of the exhaust gasses flow. The second goal is to evaluate the temperature distribution at the engine air intake in order to observe the respect of the thermal operative limits at the compressor inlet, which can influence the engine performance. It is important to evaluate, for all operating conditions, the engine skin temperature, which has to be lower than the threshold levels imposed by the engine manufactures Pratt & Whitney Canada. The nacelle temperature is another thermal issue, since hot gasses can determine an excessive scorching, a thermal phenomenon which consists in burning of the panel beneath the exhaust, with serious structural consequences to the aircraft. Thus, it has to be avoided by means of a correct flow direction of the exhaust gasses, which have to remain detached by the nacelle panel. This analysis also aims to estimate the outlet section temperature, which has to be at such a value to avoid an exaggerated hot air impinging on the ground during engine start (ground idle), taxing and take-off and to prevent the risk for ground crew injury. Moreover, the exhaust affects the aircraft performances for what concerns the exhaust back pressure losses, which influence directly the engine working. All these data depend on the fresh air intake amount and on its physical composition, because it represents the main cooling source and the main flow for both the optimal two engines performances and the safest possible exercise of all installed systems on the aircraft. The comprehension of the physical aspect and the high reliability of Computational Fluid Dynamics studies are a great tool of analysis. CFD solvers provide low cost-effective solutions of the flow and temperature fields in a reasonable time. It is an accurate alternative method to scale model testing, because it offers quick geometrical variations regarding all components and allows to point every benefit out of a new element before its installation. In fact, it is possible to modify the engine bay outlet architecture through CATIA and simulate new performances observing any advantages, which take place with important time and cost reductions. The resolution of Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS) in combination with realizable and SST Menter turbulence models has been the numerical approach used in this analysis. CATIA v5 has been used for the geometrical design of the engine bay and CD-adapco company’s STAR CCM+ has been the CFD software used for pre-processing, solver execution and post-processing activities. Simulations have been carried out for compressible steady flow and mesh generation has featured by polyhedral cells, which are easy and efficient to build and allow conformal interfaces in multi-region meshes. The final step, the most essential, has been the model validation. It means that, at the end of the simulation, the results have been compared with the experimental measurements picked up on flight by telemetry in order to verify the accuracy of the model. A good response with experimental data underlines the reliability of the simulations and it lays the foundations to carry out further developments.

La baia motore è uno dei componenti più importanti della gondola del convertiplano AW609, in quanto il suo corretto funzionamento garantisce eccellenti prestazioni al velivolo e assicura un sicuro svolgimento di tutte le manovre di volo in qualsiasi condizione di esercizio. La corretta progettazione della gondola e dello scarico è fondamentale per consentire il conseguimento di questi due aspetti operativi. La configurazione dello scarico del convertiplano AW609 è stata sottoposta a diverse riprogettazioni. Lo scarico costituisce un elemento di particolare attenzione, in quanto espelle gas ad alta temperatura, che possono causare eccessivi riscaldamenti sulla gondola e al suolo in condizioni di take-off. Questi inconvenienti sono stati riscontrati nelle configurazioni passate e da ciò è nata la necessità di progettare e di costruire un nuovo scarico, che sia in grado di affrontare e risolvere tali problematiche di natura termica con un adeguato raffreddamento dei gas caldi emessi dalla baia motore. Lo scopo di questo studio, basato sull’impiego di una modellazione di fluidodinamica computazionale, consiste nella valutazione e ottimizzazione delle distribuzioni di temperatura all’interno della baia motore e dell’influenza dei flussi di scarico sulle condizioni operative del velivolo alla luce del quantitativo di portata di aria fresca introdotta nella gondola attraverso la presa d’aria. Come secondo obiettivo è stata analizzata la distribuzione della temperatura in corrispondenza dell’ingresso del compressore, al fine di verificare il rispetto dei limiti termici operativi, che incidono su un buon funzionamento del motore. I valori di temperatura registrati lungo il motore, per un suo corretto funzionamento, devono essere inferiori ai limiti termici imposti dalla casa fornitrice Pratt & Whitney Canada. Tale problematica ha notevoli conseguenze sulla temperatura della gondola, poiché un flusso troppo caldo uscente dal condotto di scarico può determinare alte temperature sul pannello della gondola stessa. Ciò può provocare l’insorgere dello scorching, ossia un fenomeno di natura termica che causa la bruciatura del pannello al di sotto dello scarico, che può determinare gravi danni strutturali al velivolo. Questa analisi punta anche a stimare la temperatura sulla sezione di uscita, affinché non raggiunga un valore tale da causare un eccessivo impingment di aria calda sul terreno durante l’avvio, la manovra di taxing e il decollo e da prevenire così rischi per il personale a terra. Inoltre, il flusso uscente ha forti incidenze sulla prestazione del velivolo per quanto riguarda le perdite di carico allo scarico, le quali si ripercuotono direttamente sulla potenza erogata all’asse motore. Tutti questi parametri dipendono dalla quantità di aria fresca aspirata e dalla sua composizione fisica, perché essa rappresenta la principale fonte di raffreddamento e il principale flusso per ottenere ottime prestazioni dai due motori e per un esercizio sicuro di tutti i sistemi operativi installati a bordo. La comprensione del problema fisico e l’affidabilità dimostrata dall’analisi computazionale concorrono a costituire uno strumento di analisi di primaria importanza. I campi di velocità e di temperatura sono risolti in intervalli di tempo ragionevoli e a basso costo dai risolutori CFD. Essi rappresentano un metodo alternativo molto accurato per scalare i test su modelli, giacché offrono rapide variazioni geometriche e permettono di evidenziare ogni beneficio in anticipo alla realizzazione fisica dell’oggetto. Infatti, è possibile modificare l’architettura dello scarico della baia motore con l’ausilio di CATIA e di lanciare nuove simulazioni valutandone gli effetti con riduzione di tempo e di costo. Per quest’analisi è stato utilizzato il modello Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) per la risoluzione delle equazioni di Navier-Stokes in concomitanza con i modelli di turbolenza realizable e SST Menter. Sono stati impiegati CATIA v5 per la realizzazione della geometria della baia motore e STAR CCM+ della società CD-adapco per le attività di pre-processing, di simulazione e di post-processing. Le simulazioni sono state condotte per un flusso comprimibile stazionario e la mesh è stata generata con celle poliedriche, poiché semplici ed efficienti da costruire e poiché permettono interfacce conformi in mesh multi-regioni. Infine il modello è stato validato con i risultati sperimentali acquisiti in volo con la telemetria. La buona correlazione con i dati sperimentali dimostra la bontà del modello e pone le basi per ulteriori e futuri sviluppi.