Mikołaj Jarkowski

Overset Grid Methods for Rotorcraft CFD

Streszczenie:

Metody numeryczne stosowane w obliczeniowej mechanice płynów (CFD), pozwalają na przeprowadzenie wydajnych symulacji, pomocnych na wczesnym etapie konstrukcji, a także optymalizacji i testowania.

Nie wszystkie symulacje mogą być jednak wykonane przy użyciu dostępnych metod CFD w sposób wydajny i zapewniający poprawne wyniki. W szczególności, odnosi się to do przypadków o złożonej geometrii i kinematyce (np. dla wiropłatów o przecinających się trajektoriach ruchu wirnika głównego i ogonowego) oraz przypadków o prostej geometrii ale nieznanej a-priori trajektorii ruchu (np. zrzut ładunku z samolotu).

Możliwości pokonania tych trudności dostarcza metoda Chimera, której rozwój jest przedmiotem niniejszej pracy.

 W przypadku symulacji wiropłatów, metoda Chimera, pozwalaja na analizę ilościową interakcji między ruchomym wirnikiem a kadłubem dzięki niezależnej generacji siatek dla wzajemnie poruszających się elementów konstrukcji. Dodatkowo, zastosowanie metody Chimera pozwala na symulacje przypadków, gdzie standardowe metody CFD nie mają zastosowań, takich jak: wzajemne interakcje przepływu i elementów konstrukcji, gdzie wiele geometrycznych elementów porusza sie po trajektoriach nie znanych a-priori.

W ramach niniejszej pracy, zaproponowano metodę Chimera skuteczną dla siatek strukturalnych, wieloblokowych, zaimplementowanych w platformie obliczeniowej Helicopter MultiBlock (HMB), powstałej na University of Liverpool. Zaproponowana metoda bazuje na podejściu hierarchicznym, co oznacza że każda z siatek pokrywających dziedzinę obliczeniową posiada inny priorytet (poziom). Algorytm metody Chimera dezaktywuje komórki siatek o niższym priorytecie w miejscach, gdzie nałożone są siatki o wyższym priorytecie. Ciągłość rozwiązania pomiędzy siatkami uzyskuje się na drodze interpolacji danych brzegowych.

W swojej pracy autor skupił się na zapewnieniu zgodnego sposobu interpolacji (w celu zmniejszenia efektów wynikających z niezachowawczości metody), wysokiej efektywności przeszukiwania komórek między siatkami oraz możliwości zastosowania metody dla skomplikowanych obliczeń trójwymiarowych (problem paralelizacji obliczeń).

Wyniki obliczeń zweryfikowano na podstawie wybranych przypadków testowych, typowych dla zastosowań lotniczych. Szczególny nacisk położony został na zagadnienia obliczeniowe związane z aerodynamiką helikopterów takie jak: Wirnik ONERA 7AD w zawisie, Wirnik UH60 w locie poziomym, z aeroelastycznym skręceniem łopat (zadanym a-priori) oraz ROBIN w locie poziomym (czyli wyidealizowany przypadek kadłuba z wirnikiem głównym, co jest podstawą zbadania aerodynamicznych oddziaływań między wirnikiem a kadłubem).