نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 کارشناس‌ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

3 دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه مالک اشتر، شاهین شهر، اصفهان، ایران

چکیده

با توجه به پیچیدگی تحلیل پدیده‌های تأثیرگذار بر عملکرد آیرودینامیکی روتور اصلی بالگرد و نحوی شبیه‌سازی حرکت‌های دینامیکی پره نسبت به مرکز دوران، استفاده از روش‌هایی مانند تئوری المان روتور همراه با دینامیک سیالات محاسباتی می‌تواند راه‌حل ساده‌تری و کم‌هزینه‌تری نسبت به شبیه‌سازی فیزیکی روتور بالگرد باشد. مشخصات هندسی روتور بالگرد Bell UH-1 به صورت یک دیسک مجازی در دو حالت روتور تنها و همراه با بدنه در شرایط پروازی ایستا و روبه‌جلو بررسی شد‌ه‌است. برای شبیه‌سازی جریان از معادلات ناپایای تراکم پذیر همراه با مؤلفه‌های آشفتگی استفاده‌شده و برای گسسته سازی آن‌ها از دقت مرتبه دوم بالادست استفاده شده همچنین تأثیرات عملکردی روتور به صورت مؤلفه چشمه در این معادلات لحاظ شد‌ه‌است. در کار حاضر ابتدا روش اشاره با داده‌های تجربی روتور تنها مورد صحت سنجی قرارگرفته و سپس تأثیرات بدنه بر متغیرهای آیرودینامیکی روتور مورد بررسی قرار گرفته‌است. نتایج ارائه شده نشان می‌دهد که بیشترین تأثیر زاویه جانبی دیسک روتور و نصب بدنه بر روی نیروهای عمودی وارد بر روتور به ترتیب در زاویه آزیموث 90 و ربع چهارم رخ خواهد داد. همچنین بدنه بالگرد با توجه به فرضیات انجام شده در کار حاضر تأثیرات زیادی روی عملکرد آیرودینامیکی روتور نداشته است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Calculation Of Aerodynamic Loads Of Helicopter Rotor Using CFD / BET Method

نویسندگان [English]

  • Mehdi Naderi Nezhad 1
  • Navid Fakhralmobasheri 2
  • Eisa Atoof 3

1 M.Sc. Holder, Faculty of Mechanics Engineering, Ferdowsi University Mashhad, Mashhad, IRAN

2 M.Sc. Holder, Faculty of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology. Isfahan. Iran

3 Ph.D. Holder, Faculty of Mechanics, Engineering, Malek Ashtar University, Shahinshahr, Isfahan, Iran

چکیده [English]

Considering the complexity of analyzing the phenomena affecting the aerodynamic performance of the main rotor helicopter and how to simulate the dynamic movements of the blade relative to the center of rotation, Using methods such as blade element theory together with computational fluid dynamics can be a simpler and less expensive solution than the physical simulation of a helicopter rotor. The geometric characteristics of the rotor of the Bell UH-1 helicopter have been investigated as a virtual disc in two modes of the rotor alone and with the body in static and forward flight conditions. To simulate the flow, unsteady compressible equations with turbulence components are used, and for their discretization, upwind second-order accuracy is used, and the functional effects of the rotor in the form of a spring component are included in these equations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Helicopter
  • Rotor
  • Aerodynamic
  • Virtual disk
  • Computational fluid dynamics
[1] J. G. Leishman and A. Bagai, "Challenges in understanding the vortex dynamics of helicopter rotor wakes," AIAA journal, vol. 36, no. 7, pp. 1130-1140, 1998.
[2] G. Barakos, T. Fitzgibbon, A. Kusyumov, S. Kusyumov, and S. Mikhailov, "CFD simulation of helicopter rotor flow based on unsteady actuator disk model," Chinese Journal of Aeronautics, vol. 33, no. 9, pp. 2313-2328, 2020.
[3] B. Plaza, R. Bardera, and S. Visiedo, "Comparison of BEM and CFD results for MEXICO rotor aerodynamics," Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 145, pp. 115-122, 2015.
[4] R. G. Rajagopalan and S. R. Mathur, "Three dimensional analysis of a rotor in forward flight," Journal of the American Helicopter Society, vol. 38, no. 3, pp. 14-25, 1993.
[5] I. Dobrev, F. Massouh, and M. Rapin, "Actuator surface hybrid model," in Journal of Physics: Conference Series, 2007, vol. 75, no. 1, p. 012019: IOP Publishing.
[6] K. Uwatoko, M. Kanazaki, H. Nagai, K. Fujita, and A. Oyama, "Blade element theory coupled with cfd applied to optimal design of rotor for mars exploration helicopter," in AIAA Scitech 2020 Forum, 2020, p. 1284.
[7] I. Masters, R. Malki, A. J. Williams, and T. N. Croft, "The influence of flow acceleration on tidal stream turbine wake dynamics: A numerical study using a coupled BEM–CFD model," Applied Mathematical Modelling, vol. 37, no. 16-17, pp. 7905-7918, 2013.
[8] A. Samad, G. B. Tagawa, F. Morency, and C. Volat, "Predicting rotor heat transfer using the viscous blade element momentum theory and unsteady vortex lattice method," Aerospace, vol. 7, no. 7, p. 90, 2020.
[9] M. S. Schneider, J. Nitzsche, and H. Hennings, "Updating BEM models with 3D rotor CFD data," Wind Energy Science Discussions, pp. 1-20, 2016.
[10]         D. Viguera Leza, "Development of a Blade Element Method for CFD Simulations of Helicopter Rotors using the Actuator Disk Approach," 2018.
[11]         Simcenter STAR-CCM+ User Guide [Internet]. 2021. Available from: https://www.plm.automation.siemens.com/.
[12] H. K. Versteeg and W. Malalasekera, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Pearson education, 2007.
[13]         R. Rossi, S. Capra, and G. Iaccarino, "RANS modeling of scalar dispersion from localized sources within a simplified urban-area model," in APS Division of Fluid Dynamics Meeting Abstracts, 2011, vol. 64, p. A1. 009.
[14]         A. Gessow and G. C. Myers, "Flight tests of a helicopter in autorotation, including a comparison with theory," 1947.
[15]         M. Nejad, "Fundamentals of Turbulent Flow and Turbulence Modeling: daneshnegar," 2017.
[16]  R. E. Mineck, Steady and periodic pressure measurements on a generic helicopter fuselage model in the presence of a rotor. NASA Langley Research Center, 2000.
[17]  J. Scheiman, A tabulation of helicopter rotor-blade differential pressures, stresses, and motions as measured in flight. National Aeronautics and Space Administration, 1964.
[18]  A. Brocklehurst and G. N. Barakos, "A review of helicopter rotor blade tip shapes," Progress in aerospace sciences, vol. 56, pp. 35-74, 2013.
[19]  M. Yaakub, A. Wahab, A. Abdullah, N. N. Mohd, and S. Shamsuddin, "Aerodynamic prediction of helicopter rotor in forward flight using blade element theory," Journal of Mechanical Engineering and Sciences, vol. 11, no. 2, pp. 2711-2722, 2017.
[20]  S. LaForge, "EFFECTS OF BLADE STALL ON HELICOPTER ROTOR BLADE BENDING AND TORSIONAL LOADS," HUGHES TOOL CO CULVER CITY CALIF AIRCRAFT DIV1965.
[21]  T. M. Fletcher and R. E. Brown, "Main Rotor‐Tail Rotor Interaction and Its Implications for Helicopter Directional Control," Journal of the American Helicopter Society, vol. 53, no. 2, pp. 125-138, 2008.