Rotor Wake Modelling Using the Vortex-Lattice Method

Le but de ce travail est de débuter le développement d'un modèle aérodynamique de basse-fidélité à moyenne-fidélité pour la simulation de vol d'hélicoptères. Le travail est limité à l'étude de rotors en vol stationnaire, en vol axial (montée) et en effet de sol. La méthode de réseau de vortex instationnaire (UVLM) a été choisie comme plateforme de développement. Deux modèles de sillage basés sur la loi de Biot-Savart sont étudiés : le sillage classique de panneaux, tel que présenté par Katz et Plotkin, et le sillage de particules de vorticité (vortons), tel que présenté par Winkelmans et Leonard. Pour fidèlement représenter le sillage d'un hélicoptère, quatre modèles à noyau visqueux ont été implémentés pour enlever les singularités de la méthode UVLM. Les modèles Lamb-Oseen, Scully et Vatistas sont utilisés pour le modèle de sillage de panneaux, alors que le modèle de lissage algébrique est utilisé pour le sillage à vortons. Le sillage est convecté librement dans l'air, permettant l'enroulement du sillage en bout de pale, ainsi que des effets instationnaires. Les modèles à noyau visqueux sont comparés à l'aide du rotor de Caradonna-Tung. Le modèle de Lamb-Oseen est le plus rapide à converger en génération de poussée pour le sillage classique de panneaux. Toutefois, le sillage composé de particules de vorticité est le plus stable dans la génération de poussée. Il permet également la convergence en traînée (puissance requise du moteur), permettant le calcul de l'indicateur de qualité du rotor. La position du sillage développé par ces deux méthodes converge également. Des simulations utilisant un sillage composé de vortons sont comparées aux résultats expérimentales du rotor de Caradonna en montée. L'indicateur de qualité obtenu par la simulation est surestimé en comparant aux mesures expérimentales. Ce résultat est attendu, car la UVLM utilise une approche non visqueuse. Le couplage de cette méthode à une base de données visqueuse est proposé. Le modèle de sillage utilisant des vortons est ensuite comparé aux résultats expérimentales du rotor anticouple du Lynx en effet de sol. Une augmentation de la poussée générée par le rotor est obtenue en approchant le rotor du sol, en accord avec les résultats expérimentales. La convergence devient problématique lorsque le rotor s'approche du sol. Des effets instationnaires, tels que la génération d'anneaux de vorticité près du moyeu du rotor, sont capturés.

Abstract

The purpose of this work is to begin the development of a low-fidelity to medium-fidelity aerodynamic model for rotorcraft for flight simulation. This work is limited to the study of rotors in hover, axial flight (climb) and hover in ground effect. The Unsteady Vortex-Lattice Method (UVLM) is selected as the development platform. Two wake models based on the Biot-Savart law are studied: the classic panel wake, as presented by Katz and Plotkin, and the vortex particle (or vorton) wake, as presented by Winkelmans and Leonard. In order to correctly model the wake for rotorcraft applications, four viscous core models are implemented to remove the singularities present in the UVLM. The Lamb-Oseen, Scully and Vatistas core models are used for the classic panel wake, while the algebraic core smoothing model is used for the vorton wake. The free-wake methodology is used to convect the wake with the flow field, allowing tip roll up and the capture of unsteady effects. The viscous core models are compared using the Caradonna-Tung rotor. The Lamb-Oseen core model proves to converge the quickest in thrust for the panel wake methods. The vortex particle wake, however, is found to be the most stable in thrust. It also allows convergence in drag (torque), allowing the calculation of the Figure of Merit. The wake developed using the Lamb-Oseen and vortex particles showed convergence in the position of the tip vortex. The vortex particle wake is used to compare simulation results to the Caradonna rotor in climb. The Figure of Merit calculated by the simulation is shown to overestimate the value measured in experiments. This is expected, as the UVLM is an inviscid approach. Further investigation into viscous coupling algorithms is proposed. The vortex particle wake is also compared to the Lynx tail rotor in ground effect. Increase in the thrust generated by the rotor when approaching the ground is seen in the simulation data, agreeing with experimental data. Convergence becomes an issue as the rotor approaches the ground. Unsteady phenomena, such as the creation of vortex rings near the rotor hub, are captured. The work is concluded by summarizing the described work and stating the current limitations of the model. Recommendations for future work are then proposed.