Assessment of ice accretion effects on rotor dynamics via multi-body and CFD approaches

A numerical approach to determine degraded performance and changes in flight characteristics on a helicopter rotor due to icing is proposed. The methodology loosely couples a multibody dynamics code with a Computational Fluid Dynamics based ice accretion solver in an effort to reach a compromise between computational resources and model accuracy. Discretization of the rotor blade allows the ice accretion process to be conducted at numerous radial sections in a quasi-3D analysis. Degraded aerodynamic performance of the iced blade sections becomes the driver for the dynamics code, determining deteriorated flight conditions of the helicopter. The problem of ice shedding is addressed through a model, whereby cohesion and adhesion stresses are predicted via centrifugal loading. The technique has been applied to the scenario of a helicopter rotor blade in hover flight, demonstrating an increase in torque and a significant loss in the figure of merit.

In questo lavoro di tesi è proposto un approccio numerico per determinare il peggioramento delle performance e le variazioni nella caratteristiche di volo per un rotore di elicottero in conseguenza di ghiaccio sulle pale. Il metodo proposto consiste nell'accoppiare debolmente un codice di dinamica multicorpo con un solutore numerico di accrescimento del ghiaccio basato su un codice di fluidodinamica computazionale (CFD), in modo tale da raggiungere un buon compromesso tra accuratezza del modello e risorse computazionali. La discretizzazione della pala del rotore permette di condurre il processo di accrescimento del ghiaccio a diverse sezioni radiali in un'analisi quasi 3D. Le performance aerodinamiche peggiorate delle sezioni ghiacciate della pala diventano l'input per il codice dinamico multicorpo, determinando le nuove condizioni di volo in condizioni di ghiaccio per l'elicottero. Il problema dello shedding del ghiaccio è affrontato tramite un modello in cui sforzi di coesione e adesione sono calcolati per mezzo dei carichi centrifughi. La tecnica è stata applicata nello scenario di un rotore di elicottero in hover, dimostrando un aumento nella coppia necessaria e un significante peggioramento nella figura di merito.