Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Flow control on helicopter – rotor blades via Active Gurney Flap

Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2018

|

Nr 1 (250)

93--113

EN

The Active Gurney Flap (AGF) is a small, flat tab cyclically deployed and retracted at lower surface of the rotor blade near its trailing edge. It is expected that the device may improve performance of modern helicopters. The main goal of presented investigations was to develop research methodology and next to use it in studies on phenomena occurring in the flow around helicopter-rotor blades equipped with AGF. Conducted CFD simulations aimed at validation of the developed methodology as well as at significant supplementing and extension of results of experimental research. Simplified sensitivity analysis has been conducted aiming at determination of geometric and motion-control parameters of the AGF, optimal from point of view of helicopter-performance improvement. Fully three-dimensional simulations of the rotor flight aimed at determination of flight conditions, in which the use of Active Gurney Flaps could significantly improve the rotorcraft performance.

PL

Aktywna Klapka Gurneya to niewielka, płaska płytka cyklicznie wysuwana i chowana prostopadle do dolnej powierzchni łopaty wirnika śmigłowca, ulokowana zazwyczaj w pobliżu krawędzi spływu łopaty. Zakłada się, że urządzenie może poprawić osiągi nowoczesnych helikopterów. Głównym celem prezentowanych badań było opracowanie odpowiedniej metodologii, a następnie użycie jej w badaniach zjawisk aerodynamicznych zachodzących w opływie łopat wirnika śmigłowca, wyposażonych w poruszające się klapki Gurneya. Przeprowadzone symulacje przepływu miały na celu walidację opracowanej metodyki, a także znaczne jej ulepszenie i rozbudowę, m.in. w oparciu o dostępne wyniki badań eksperymentalnych. Analiza wrażliwości została przeprowadzona w oparciu o uproszczoną 2/2,5-wymiarową analizę przepływu i miała ona na celu określenia parametrów geometrycznych i sterowania, optymalnych z punktu widzenia poprawy osiągów śmigłowca. W pełni trójwymiarowe symulacje lotu wirnika miały na celu określenie stanów lotu śmigłowca, w których zastosowanie Aktywnych Klapek Gurneya mogłoby istotnie polepszyć osiągi wiropłata.

2

Improvement and optimisation of gyroplane performance

Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2017

|

Nr 4 (249)

103--122

EN

The aim of this study was to investigate possibilities of improving performance characteristics of light gyroplane, as well to propose new or improved solutions enhancing performance of this type of rotorcraft. The study has been conducted based on computational methods of Computational Fluid Dynamics, Flight Dynamics, Computer Aided Design and Optimisation. Results of the research confirm that using advanced computational methods it is possible to improve significantly the performance characteristics of light gyroplane. It can be chieved both through optimisation of the main rotor design and flight control strategy. An unconventional approach to rotorcraft optimisation has been presented, distinguishing by the fact that the objective was calculated based on computer imulations of selected states of gyroplane flight. One of the optimised main rotors had already been examined during flight tests, which confirmed its good performance‑and‑exploitation properties and its advantage over classic gyroplane rotors. Developed by the author the family of gyroplane airfoils is a valuable alternative to classic airfoils utilised so far. The same applies to the blades built based on those airfoils. In particular, it concerns the unconventional design of the rotor blade of span-variable: chord and relative thickness. The developed methodology of numerical optimisation of flight‑control strategy during the jump takeoff of the gyroplane presents an original approach to those problems and may be valuable tool supporting gyroplane-pilot training.

PL

Celem pracy było zbadanie możliwości poprawy właściwości eksploatacyjnych lekkiego wiatrakowca, jak również zaproponowanie nowych lub ulepszonych rozwiązań zwiększających osiągi tego typu wiropłatów. Prace badawcze przeprowadzono w oparciu o metody Obliczeniowa Mechaniki Płynów, Mechaniki Lotu, Komputerowego Wspomagania Projektowania i Optymalizacji Inżynieryjnej. Wyniki zrealizowanych badań potwierdzają, że przy użyciu zaawansowanych metod obliczeniowych można znacznie poprawić właściwości osiągowe lekkiego wiatrakowca. Można to osiągnąć zarówno poprzez optymalizację konstrukcji wirnika nośnego jak i poprzez optymalizację strategii kontroli lotu wiatrakowca. Przedstawiono niekonwencjonalne podejście do optymalizacji wiropłatów, wyróżniające się tym, że funkcja celu była obliczana na podstawie komputerowej symulacji wybranych stanów lotu wiatrakowca. Jeden z nowo zaprojektowanych wirników został już przetestowany podczas prób w locie, które potwierdziły jego dobre osiągi i właściwości eksploatacyjne oraz przewagę tego wirnika nad konstrukcjami klasycznymi. Opracowana przez autora rodzina dedykowanych profili wiatrakowcowych stanowi konkurencyjną alternatywę w stosunku do klasycznych profili aerodynamicznych stosowanych zazwyczaj do konstrukcji łopat wiatrakowca. To samo odnosi się do łopat wirnika nośnego zbudowanych w oparciu o nowo zaprojektowane profile. W szczególności dotyczy to konstrukcji niekonwencjonalnych łopat wirnika charakteryzujących się zmiennymi wzdłuż rozpiętości: cięciwą i względną grubością przekrojów łopaty. Opracowana metodologia numerycznej optymalizacji strategii kontroli lotu podczas bezrozbiegowego startu wiatrakowca, prezentuje oryginalne podejście do tego typu problemów i może stanowić cenne narzędzie wspomagające proces szkolenia pilotów wiatrakowców.

3

Determination of ice deposit shape and ice accretion rate on airfoil in atmospheric icing conditions and its effects on airfoil characteristics

Sznajder J., Sieradzki A., Stalewski W.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 2

271--278

EN

Simulations of ice accretion on airfoil in icing conditions were conducted using ice accretion model implemented by authors in ANSYS FLUENT CFD solver. The computational model includes several sub-models intended for simulations of two-phase flow, determination of zones of water droplets impinging on the investigated surface, flow of water in a thin film on airfoil surface and heat balance in air-water-ice contact zone. The method operates in an iterative loop, which enables determination of effects of gradual deformation of aircraft surface on airflow over the surface, which has impact on distribution of collected water, flow of water film over the surface and local freezing rates. The implementation of the method in CFD solver made it necessary to complement the mathematical model of determination of local rates of deformation of aircraft surface with modification of computational mesh around the surface, which must conform, to the deformed surface. Results of simulated ice accretion on NACA 0012 airfoil were compared with results of experiment conducted in icing wind tunnel for a 420 s long process of ice accretion in steady-flow, steady angle-of-attack conditions. Close agreement of values and location of maximum ice thickness obtained in experiment and in the flow, simulations can be observed. For the airfoil deformed with ice, contour determination of its aerodynamic characteristics at several other angles of attack was conducted proving dramatic degradation of its aerodynamic characteristics due to ice deformation.

4

Design and optimisation of main rotor for ultralight helicopter

Stalewski W.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 4

287--295

EN

A modern main rotor, dedicated to the ultralight helicopter, has been designed and optimised. Due to assumed simplicity of the rotor design and taking into account some technological constraints, the principal purpose of the presented research was to design a dedicated airfoil which, when applied on the main-rotor blades, would influence satisfactory improvement in a performance of the ultralight helicopter, especially in fast flight. The design and optimisation process has been supported by a computational methodology. The in-house software has been used for direct and inverse design of shapes of the rotor-blade airfoils. Aerodynamic properties of the airfoils as well as the helicopter main rotor were evaluated based on both the two-dimensional and three-dimensional flow simulations conducted using the ANSYS FLUENT software that was used to solve U/RANS equations. Based on the results of conducted computational simulations of fast flight of the ultralight helicopter, it can be concluded that the newly designed main rotor, compared to the baseline, may give certain improvement in helicopter performance in fast flight. In addition, the application of this newly designed rotor may lead to increase of a maximum speed of the helicopter flight, due to the greater lift force achievable by this rotor on the retreating blade, which is favourable from point of view of keeping of a lateral balance of the helicopter in fast flight.

5

Analysis of wing-engine nacelle aerodynamic interference

Zalewski W., Stalewski W.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 3

339--344

EN

The article presents an analysis of the wing-engine nacelle flow interference phenomenon on the example of a light twin-engine commuter aircraft. The problems of propulsion system integration with the wing in airplanes are now frequently the subject of advanced optimization research performed by aircraft manufacturers. The shape of the engine nacelle and its connection with the wing determines the quality of the flow around the wing in that area. This is important for high-lift devices placed at the wing trailing edge behind engine nacelle used during the take-off and landing process. Additionally the flow is effected by the disturbances generated by working propellers, the presence of air inlets and an exhaust system of the engine. The article presents a process of numerical optimization of an engine nacelle rear part shape. The main goal of the process was to eliminate the flow disturbances caused by the engine nacelle-wing interference phenomenon. During analysis, the Adjoint Solver method was used to designate nacelle body areas where modification should have the most important impact on the flow quality. The results obtained from adjoint solver were used in the process of finding the optimum shape of the rear part of the nacelle using a parametric geometry generator powered by Ansys Design Modeler and PARADES software. Comparative computational analysis for selected geometries of the engine nacelle was performed using commercial Ansys Fluent solver. Ansys Fluent is an advanced computational solver based on the finite volume method for solving the Navier-Stokes flow equations. Several dozen of geometric shapes were analysed in the optimization process of the nacelle rear part. The final result was the shape of the engine nacelle with correct flow without separation and vortex structures. The article presents results of calculations and visualization of the flow pattern for analysed cases.

6

Aerodynamic effect of turbo prop engine slipstream on aircraft tail assembly vibration

Zalewski W., Stalewski W.

Journal of KONES

|

2017

|

Vol. 24, No. 4

363--367

EN

The article presents a computational analysis of the effect of the turboprop engine slipstream on generation of aerodynamic forces induced vibrations of aircraft tail assembly (empennage). Working propellers exhaust system, engine nacelle, and wing-engine nacelle flow interference phenomenon can cause strong non-stationary disturbances behind the wing of the aircraft. These disturbances, propagating in the direction of the aircraft tail assembly, may be an important factor influencing the operation of the airplane flow control system and the source of aerodynamic forces generating vibrations of the entire plane structure. The article presents an example of analysis of this phenomenon for a light passenger-transport aircraft using advanced numerical models for simulation of the flow around the aircraft. In the computational model, Navier-Stokes flow equations were solved by finite volume method with the K-Omega SST turbulence model to calculate the turbulent kinetic energy distribution in the flow slipstream behind the airplane propulsion unit. The Ansys Fluent commercial solver was used to run analyses. To perform the simulation, high quality, dedicated conformal computational mesh, consisting of hexahedral and tetrahedral elements was prepared to evaluate the propagation of the flow disturbances with limited numerical dispersion effect. Mesh generation was conducted using Ansys ICEM CFD and Mesher software. Unsteady aerodynamic forces for horizontal and vertical tail-planes of the airplane were computed during simulations. Fourier analysis of the driven forces was performed, which resulted in finding the dominating vibration frequencies generated by the flow field around the tail assembly. The visualization of the flow field and the regions of the strong disturbances were presented. Results can be exploited in the pre-design process of aerodynamic configuration of multi-engine aircrafts.

7

Wirnik ogonowy śmigłowca typu Mi-2 z profilem lotniczym nowej generacji

Zalewski W., Szumański K., Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2016

|

Nr 3 (244)

249--256

PL

W artykule przedstawiono przykład zastosowania profilu lotniczego nowej generacji w konstrukcji łopat wirnika ogonowego śmigłowca typu Mi-2. Obecnie w kilku krajach podejmuje się próby modernizacji tego wywodzącego się z lat 60-tych XX wieku śmigłowca i dostosowania go do dzisiejszych standardów. Modernizacja obejmuje głównie zespół napędowy i awionikę. Standardowe, dwułopatowe śmigło ogonowe śmigłowca Mi-2 zostało zaprojektowane w oparciu o symetryczny profil lotniczy NACA0012. Wraz ze wzrostem mocy silników w zmodernizowanych wersjach śmigłowca, ciąg generowany przez standardowe śmigło ogonowe Mi-2 okazuje się niewystarczający do zapewnienia pełnej kontroli kierunkowej śmigłowca w niektórych warunkach lotu. Zastosowanie odpowiednio dobranego profilu lotniczego umożliwia opracowanie nowego śmigła o nieco zwiększonej sile ciągu. Pozwoli to na rozwiązanie problemu niewystarczajacej siły ciągu do sterowania kierunkowego bez konieczności przebudowy układu sterowania, napędu i struktury belki ogonowej śmigłowca. W analizach wykorzystano opracowany w Instytucie Lotnictwa profil lotniczy ILT212. Profil zaprojektowano jako dedykowany do warunków pracy śmigieł ogonowych współczesnych śmigłowców z wykorzystaniem najnowszych numerycznych metod obliczeniowych i optymalizacyjnych. Przeprowadzono obliczeniowe analizy porównawcze osiągów śmigła ogonowego z łopatami bazującymi na profilach NACA0012 i ILT212. Dwułopatowe, kompozytowe śmigło ogonowe o zewnętrznej geometrii identycznej ze śmigłem standardowym, z łopatami zaprojektowanymi na bazie profilu lotniczego ILT212, może być interesującą ofertą dla producentów zmodernizowanych wersji śmigłowca Mi-2.

XX

The article presents an example of application of modern, new generation airfoil in design of Mi-2 type helicopter tail rotor blades. Currently several countries are trying to modernize this helicopter, which derived from the '60s of the twentieth century, and bring it up to today's standards. Modernization process includes mainly the power unit and avionics. Standard dual blades tail rotor for Mi-2 helicopter has been designed based on a symmetrical airfoil NACA0012. With the increase of engines power in modernized versions of the helicopter, the thrust generated by the standard Mi-2 tail rotor appears to be insufficient to provide full directional control of the helicopter in certain flight conditions. The use of properly selected airfoil allows the development of a new rotor with a slightly increased thrust. This could solve the problem of not enough thrust for directional control without need to rebuild the control system, drive and the structure of the tail boom of the helicopter. The study was made with the use of ILT212 airfoil, which was designed in the Institute of Aviation. The airfoil was designed as dedicated for the working conditions of the tail rotor blades of modern helicopters, with the use of the latest numerical computational and optimization methods. The simulation was made by resolving Navier Stokes equations by finite volume method with use of Moving Mesh and Moving Reference Frame techniques. A hover was chosen as flight condition of helicopter for comparison of performance of the tail rotor blades with airfoils NACA0012 and ILT212. New dual blades composite tail rotor with the external geometry identical to the standard Mi 2 tail rotor, designed with the airfoil ILT212 could be an interesting offer for manufacturers of modern versions of Mi-2 helicopter.

8

Aerodynamic design of modern gyroplane main rotors

Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2016

|

Nr 1 (242)

80--93

EN

Process of aerodynamic design and optimisation of main rotors intended for modern gyroplanes has been presented. First stage of the process was focused on development of family of airfoils, designed and optimised especially towards gyroplane applications. In next stage, based on developed family of airfoils, two alternative gyroplane main rotors were designed. The main optimisation criterion was to minimise aerodynamic drag of the rotor, for assumed flight velocity and lift force generated by the rotor, balancing the weight of the gyroplane. The paper discusses the applied methodology of design and optimisation as well as presents geometric and aerodynamics properties of designed main rotors.

PL

Przedstawiono proces aerodynamicznego projektowania i optymalizacji nowoczesnych wirników autorotacyjnych. Pierwszy etap prac dotyczył opracowanie rodziny profili lotniczych zaprojektowanych i zoptymalizowanych specjalnie pod kontem zastosowania ich na łopatach wirnika nośnego wiatrakowca. W kolejnym etapie, w oparciu o opracowaną rodzinę profili, zaprojektowano i zoptymalizowano dwa alternatywne wirniki nośne. Głównym kryterium optymalizacji było zminimalizowanie oporu aerodynamicznego wirnika, dla zakładanej prędkości lotu i siły nośnej generowanej przez wirnik, równoważącej ciężar wiatrakowca. Omówiono zastosowaną metodykę projektowania i optymalizacji konstrukcji lotniczych, jak również przedstawiono geometryczne i aerodynamiczne własności zaprojektowanych wirników nośnych.

9

Design and optimisation of exhaust system of light turboprop airplane

Stalewski W.

Journal of KONES

|

2016

|

Vol. 23, No. 2

341--348

EN

Innovative exhaust system for light turboprop airplane has been developed and optimised. Apart from the basic function of removing exhaust from turboprop engine, the system supports cooling of the engine bay. To do this, the system removes hot air from the engine bay, utilising the ejector-pump effect, where the exhaust stream generates under-pressure, sucking the hot air through the ejector slot and removes the air together with the exhaust gases. The design and optimisation of the exhaust system has been conducted based on computational methods of Computer-Aided Design and Optimisation and Computational Fluid Dynamic. Three-dimensional analysis of flow around the airplane (including effect of propeller) and inside the exhaust system was conducted by application of URANS solver ANSYS FLUENT. Using these software the trajectories of exhaust particles, both inside the exhaust ducts and outside the airplane, have been determined. Parametric model of the designed exhaust system has been developed using the in-house software PARADES. As design parameters the diameter, length and direction of exhaust ducts as well as few parameters describing a shape of the ejector, have been established. The optimisation process aimed at designing of the exhaust system, which removes the exhaust gases possibly far away from the airframe, especially during a descent flight of the airplane. Additional objectives were maximisation of the mass flow rate of hot air sucked through the ejector and minimisation of the drag force generated by external part of the exhaust system. The optimised exhaust system should have also fulfilled requirements of permissible total-pressure losses inside the exhaust ducts. The optimised exhaust system has been implemented on the light turboprop airplane and validated during flight tests.

10

Computational design and optimisation of innovative, high-efficiency wind turbine

Stalewski W., Zalewski W.

Journal of KONES

|

2015

|

Vol. 22, No. 2

221--232

EN

New concept of innovative, high-efficiency wind turbine has been developed and optimised. The turbine consists of a rotor with a vertical axis of rotation and a ring-palisade casing, which task is to deflect wind stream so that it flows perpendicularly to the rotor plane. The main advantage of such configuration of a wind turbine is that due to the vertical axis of symmetry, it works independently on the wind direction and it does not need any mechanism directing it towards the wind. The greatest challenge when designing the turbine was to minimise losses of energy of the wind stream deflected by 90 degrees by the ring vanes of the casing. This involved optimisation of number, shapes and mutual positions of the ring vanes. The whole optimisation works were done based on computational methods of Computer-Aided Design and Optimisation and Computational Fluid Dynamic. Subsequent variants of the ring-palisade casing were designed using an appropriately adapted in-house-software package supporting design and optimisation of multi-element airfoils. Three-dimensional analysis of flow around and inside the casing was conducted by application of commercial URANS solver ANSYS FLUENT. Eventually designed turbine is characterised by high efficiency in respect of acceleration of the wind stream. On the basis of computer simulations, it is estimated that the average velocity of air stream flowing through the rotor plane may be higher than the wind speed by about 45%. Extent of the acceleration of the wind stream partially depends on the number of ring vanes comprising a casing. Depending on specificity of application, this number of ring vanes may be chosen by a compromise between performance and dimensions of the turbine. The proposed wind turbine seems to be very promising solution, especially within the area of small and moderate renewable-energy sources, which in particular may be placed directly in residential-building areas, e.g. on the roofs of houses. This type of renewable-energy sources may also be successfully used in the field of environmentally friendly transport, in the process of producing hydrogen as fuel for fuel cell vehicles.

11

Modification of aerodynamic wing loads by fluidic devices

Stalewski W., Sznajder J.

Journal of KONES

|

2014

|

Vol. 21, No. 3

271--278

EN

Airplane wing load control systems are designed for modification/redistribution of aerodynamic loads in order to decrease risk of structural damage in conditions of excessive loads, to improve passenger comfort in turbulent atmosphere or to act as flight control systems. Classical examples include systems involving symmetric deflections of ailerons reducing wing root bending moments (Lockheed C-5 Galaxy) or deflections of spoilers stabilizing landing approach path (Lockheed TriStar). The fast development of Micro Electromechanical Systems and their application in Flow Control System opens the perspectives of designing practical wing load control systems based on fluidic actuators, modifying local aerodynamic loads by inducing changes to flow, for example, by inducing flow separation in the boundary layer or modifying Kutta condition on the trailing edge. This is the principle of operation of novel concepts of flow control actuators proposed by Institute of Aviation and discussed in the paper. The systems include actuators in the central part of the wing section, reducing local lift similarly to classical spoilers and actuators on the modified trailing edge, acting similarly to ailerons. The potential advantages in comparison to classical devices include potentially shorter reaction time because of avoiding the necessity of moving large surfaces against high dynamic pressure, which is important in conditions of fast-changing loads in turbulent atmosphere.

12

Computational investigations of active flow control on helicopter - rotor blades

Stalewski W., Sznajder K.

Journal of KONES

|

2014

|

Vol. 21, No. 2

281--288

EN

The paper presents results of the first stage of the research conducted within the frames of Active Rotor Technologies, which is the dynamically developed sub-domain of Rotorcraft Engineering. The research concerned a computational modelling and investigations of new solutions aiming at improvement of performance of modern helicopters and their environmental impact, by active control of operation of their rotors. The paper focuses on one of such solutions applied for the active control of airflow around helicopter-rotor blades. This solution is the Active Gurney Flap – a small, flat tab located at a pressure side of rotor blade near its trailing edge, which is cyclically deployed and stowed during rotation cycles of the blade. The Active Gurney Flap seems to be very promising solution which will enable helicopters to operate with reduced power consumption or reduced main rotor tip speed whilst preserving current flight performance capabilities, especially in terms of retreating blade stall. The newly developed methodology of computational modelling of active-flow-control devices, like Active Gurney Flap, applied for enhance a helicopter performance and improve its environmental impact, has been presented. Development of the methodology was the challenging task, taking into account strongly unsteady character of modelled phenomena and large differences of scales in both the space and time domain, where very small, dynamically deflected tab strongly influences the flow around rotating, large main rotor. Exemplary CFD simulations, presented in the paper, have been conducted to validate developed methodology.

13

Design of a turbulent wing for small aircraft using multidisciplinary optimisation

Stalewski W., Żółtak J.

Archives of Mechanics

|

2014

|

Vol. 66, nr 3

185--201

EN

Design process of a turbulent wing for small aircraft, using multidisciplinary and multi-objective optimisation, based on a genetic algorithm was presented. A generic parametric model of small aircraft wing geometry was developed. In the model, a wide class of wing geometries, with and without high lift devices, was described by a relatively small number of parameters. The optimisation method used the objectives and constraints typical for multidisciplinary wing design, and was applied to the design and optimisation of turbulent wing dedicated for small, two-propeller aircraft. The research was conducted within European Project CESAR. The results of the research have been discussed.

14

The numerical analysis of properties of the trailing-edge flap on the ILH412M-S rotor blade airfoil

Miller M., Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 9 (218)

63-71

EN

This paper summarise initial activities concerning the design of the segment of rotor blade with a trailing-edge flap actuated by Amplified Piezo Actuator used in dynamic pressure measurements in T-1 low-speed wind tunnel of the Institute of Aviation. This paper is focused on the design process of the shape of the trailing-edge flap on a rotor blade segment, based on the ILH412M-S profile. After this initial step in design of the rotor blade segment it will be used to derive aerodynamic loads in a two-dimensional flow according to assumptions of the research project “Research on the active control of the airflow of helicopter rotor blade with the use of a flap oscillation and a microflap to improve aerodynamic performance of a helicopter” [1].

PL

Dokument ten podsumowuje wstępne działania dotyczące projektowania segmentu łopaty wirnika nośnego śmigłowca z wychylaną klapką na krawędzi spływu sterowaną siłownikiem piezoelektrycznym stosowanego w dynamicznych pomiarach ciśnienia w tunelu aerodynamicznym małej prędkości T-1 Instytutu Lotnictwa. Niniejszy dokument koncentruje się na procesie projektowania kształtu klapki na krawędzi spływu segmentu łopaty wirnika o profilu ILH412M-S. W wyniku działań opisanych w tym dokumencie zostanie zaprojektowany segment łopaty wirnika (w oparciu o profil ILH412M-S), który będzie wykorzystywany w celu wyznaczenia obciążeń aerodynamicznych w przepływie dwuwymiarowym zgodnie z założeniami projektu badawczego “Badania aktywnego sterowania opływem łopaty wirnika nośnego przy pomocy oscylacji klapy i mikroklapki w celu poprawy osiągów aeromechanicznych śmigłowca”. [1].

15

Symulacja startu wiatrakowca w oparciu o program fluent z modułem VBM

Stalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 2 (211)

155-170

PL

Przedstawiono metodykę numerycznej symulacji nieustalonego lotu statku powietrznego typu wiropłat, która bazuje na sprzęgnięciu kilku modeli obliczeniowych z dziedziny mechaniki płynów, mechaniki ciała stałego oraz mechaniki lotu. Cechą w yróżniającą opracowaną metodykę jest to, że w czasie symulacji lotu wyznaczane jest na bieżąco zmienne w czasie pole przepływu powietrza wokół wiropłata. Realizowane to jest na drodze rozwiązania niestacjonarnych równań Naviera-Stokesa. Symulacja lotu wykonywana jest w całości za pomocą programu FLUENT uzupełnionego dodatkowymi, wyspecjalizowanymi modułami użytkownika, z których najistotniejszy - Virtual Blade Model (VBM) modeluje uśrednione w czasie efekty przepływu indukowanego przez układy wirujących powierzchni nośnych. Opracowana metodykę zastosowano do symulacji startu wiatrakowca, z uwzględnieniem wpływu bliskości ziemi oraz specyfiki mechaniki lotu tego typu wiropłata. Symulacje dotyczyły dwóch odmiennych technik startu: startu z rozbiegiem - zbliżonego swym charakterem do startu samolotu, oraz startu bezrozbiegowego podobnego do startu śmigłowca. Omdwiono rezultaty wykonanych przykładowych symulacji startu wiatrakowca.

EN

The new methodology of flight simulation of rotorcraft has been worked out. The methodology is based on coupled, several methods of Computational Fluid Dynamics, Solid Mechanics and Flight Dynamics. The essence of the method consists in calculation of air flow around flying rotorcraft based on solution of Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS). The flight simulation procedure was completely embedded in FLUENT code using some user-defined-function modules, including Virtual Blade Model (VBM) modelling flow effects induced by rotating blades. The methodology was applied to simulate a takeoff ofgyroplane, taking into account specific features of flight dynamics of this type of rotorcraft. The Dynamic Mesh technique, implemented in FLUENT was applied to simulate ground effect, important in takeoff phase of rotorcraft flight. Two types ofgyroplane takeoff ware simulated: classical - with short takeoff run, and vertical - similar to helicopter takeoff Results of performed simulations ofgyroplane takeoff were discussed.

16

Symulacja pracy wirnika nośnego wiatrakowca w początkowej fazie pionowego startu

Stalewski W., Zalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 10 (219)

289-296

PL

W pracy przedstawiono analizę numeryczną osiągów wirnika nośnego wiatrakowca przystosowanego do wykonywania startu typu śmigłowcowego, bez rozbiegu. W czasie wykonywania tego typu manewru wirnik jest rozpędzany przez silnik a następnie pracuje wykorzystując zgromadzoną energie kinetyczną do momentu, w którym prędkość postępowa wiatrakowca umożliwi pracę w autorotacji. Konstrukcja głowicy wirnika umożliwia szybką zmianę kąta skoku ogólnego łopat w trakcie wykonywania startu. Przeprowadzone obliczenia pozwoliły na wyznaczenie charakterystyk aerodynamicznych napędzanego wirnika, określenie siły ciągu i zapotrzebowania mocy, prędkości obrotowej oraz na ocenę jakościową przepływu wokół łopat.

EN

The paper presents the computational analyses of performance of gyroplane main rotor adapted to take off like a helicopter. During this type of manoeuvre the rotor is accelerated by the engine and then works using accumulated kinetic energy to the moment when gyroplane flight speed allows continuing the flight in autorotation. The design of the rotor head allows quick changing of the blade pitch angle during take-off. The calculations enable to gain the characteristics of driven main rotor, to determine thrust and demand for power, to evaluate the revolution speed and to make qualitative assessment of the flow around the rotor blades.

17

Possibilities of improvement of directional control effectiveness of light gydroplane at high-angle-of-attack flight conditions

Stalewski W., Sznajder J.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 9 (218)

77-85

EN

Several alternative modifications of original design solution of an inverted “V”-tail control surfaces of a light gyroplane are presented. The aim of the modification is improvement of high-angleof attack directional controllability of the aircraft. The proposed modifications of the all-flying control surfaces include adjustable symmetric inclination of tail surfaces, split-surface version (stabilizer+rudder), split-surface version with additional, central element and more traditional, “H” configuration with one horizontal and two vertical surfaces. All the proposed modifications retain the second function of the tail surfaces – rear undercarriage. Adjusting the symmetric inclination of the tail surfaces allows for maintaining high values of the yaw control derivative up to the value of the fuselage angle of attack of 30°. Potentially unfavourable side-effect of this solution may be the change of pitching moment during such manoeuvre. For this reason this solution should be applied with the split control surface version (stabilizer+rudder) with additional mechanism adjusting the symmetric rudder deflection to the new elevator inclination in order to keep pitching moment constant. The other two options - additional third control surface in the symmetry plane with rudder and more classical “H” configuration of control surfaces are simpler in operation and safer, particularly the “H” configuration with retains high effectiveness of directional control at high fuselage angle of attack, up to 30°. The version with inverted “V” tailplanes and additional, central control surface has limited effectiveness at high angles of attack, due to geometrical and design constrains, limiting the size of the central control surface.

PL

W pracy przedstawiono kilka alternatywnych modyfikacji wersji wyjściowej usterzenia lekkiego wiatrakowca, płytowego w układzie odwróconego “V”. Celem modyfikacji jest poprawa sterowności kierunkowej wiatrakowca na dużych kątach natarcia. Proponowane modyfikacje usterzenia płytowego obejmują przestawialne symetryczne zaklinowanie powierzchni sterowych, wprowadzenie podziału na statecznik i ster, dodanie do wersji usterzenia dzielonego trzeciego, centralnego elementu a także bardziej tradycyjnego układu “H” z jednym, dzielonym usterzeniem poziomym i dwoma dzielonymi powierzchniami pionowymi. Wszystkie proponowane modyfikacje zachowują drugą funkcję usterzenia – funkcję tylnego podwozia. Zmiana symetrycznego zaklinowania powierzchni sterowych pozwala na zachowanie wysokich wartości pochodnej momentu odchylającego względem kąta wychylenia steru do wartości kąta natarcia kadłuba równego 30°. Potencjalnym efektem szkodliwym tego rozwiązania może być zmiana momentu pochylającego w czasie operacji zmiany zaklinowania steru. Z tego powodu takie rozwiązanie powinno być zastosowane z usterzeniem dzielonym na statecznik i ster razem z dodatkowym mechanizmem dopasowującym symetryczne wychylenie steru do nowego kąta zaklinowania statecznika w celu utrzymywania stałego momentu pochylającego. Pozostałe dwa warianty - dodatkowa trzecia powierzchnia sterowa w płaszczyźnie symetrii i klasyczne usterzenie w układzie “H” są prostsze w działaniu i bezpieczniejsze, szczególnie układ “H” który utrzymuje wysoką sterowność kierunkową na dużych kątach natarcia kadłuba, do 30°. Wersja z dwoma powierzchniami w układzie odwróconego “V” i dodatkową, centralną powierzchnią sterową ma ograniczoną skuteczność na dużych kątach natarcia z powodu ograniczeń geometrycznych i konstrukcyjnych, limitujących rozmiar dodatkowej, centralnej powierzchni.

18

Numerical study of helicopter fuselage aerodynamic characteriestics with influence of main rotor

Żółtak J., Stalewski W., Zalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 6 (215)

50-59

EN

The influence of simulated main rotor on aerodynamic properties of four different helicopter fuselage configurations has been tested. The research was done using computational fluid dynamics (CFD) method. Simulations were done for hover and forward flight conditions. The results for computation without and with main rotor modelling were compared. Changes of aerodynamic properties with respect to basic configuration were analysed.

PL

Wpływ symulacji wirnika głównego na własności aerodynamiczne czterech różnych konfiguracji kadłuba śmigłowca został przebadany. Badania obliczeniowe przeprowadzono wykorzystując metody numerycznej mechaniki płynów. Obliczenia wykonano dla zawisu oraz lotu postępowego. Porównano wyniki uzyskane bez i z symulacją wpływu wirnika nośnego. Analizowano również zmianę własności aerodynamicznych badanych konfiguracji względem konfiguracji bazowej.

19

Analiza wybranych stanów lotu wiatrakowca a oparciu o obliczeniowe charakterystyki aerodynamiczne jego komponentów

Stalewski W., Zalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 10 (219)

280-288

PL

W pracy przedstawiono wyniki prac badawczych dotyczących obliczeniowych analiz wybranych stanów lotu wiatrakowca. Omówiono następujące zagadnienia: • Wyznaczenie prędkości maksymalnej wiatrakowca w konfiguracji z wysuniętym i ze schowanym podwoziem przednim. • Wyznaczenie maksymalnych przeciążeń możliwych do uzyskania w trakcie kontrolowanego lotu wiatrakowca. • Ocena możliwości bezpiecznego wylądowania wiatrakowca w przypadku awarii śmigła napędowego.

EN

The paper presents results of research work concerning computational analyses of selected states of gyroplane flight. The following issues have been discussed: • Evaluation of maximal speed of the gyroplane for both configurations: with and without landing gear. • Evaluation of the maximal normal overload, that is possible to obtain during the controlled flight of the gyroplane. • Analysis of the possibility of a safe landing in case of damage of gyroplane propeller. All conducted analyses were based on the Equation of Conservation of Momentum of flying gyroplane. Aerodynamic forces acting on gyroplane were evaluated using the data base of aerodynamic characteristics of gyroplane components.

20

Analiza obliczeniowa własności aerodynamicznych wirnika nośnego wiatrakowca w stanie lotu ustalonego (autorotacji)

Stalewski W., Zalewski W.

Prace Instytutu Lotnictwa

|

2011

|

Nr 10 (219)

269-279

PL

W pracy przedstawiono wyniki symulacji komputerowych pracy wirnika nośnego wiatrakowca w stanie poziomego lotu ustalonego w pełnym zakresie prędkości przelotowych bez wpływu ziemi. W takich warunkach lotu swobodnie obracający się wirnik pracuje stale w stanie autorotacji. W wyniku przeprowadzonych obliczeń wyznaczono charakterystyki aerodynamiczne oraz obciążenia i wahania łopat wirnika. Omówiono metodykę obliczeń, przedstawiono przykładowe wizualizacje oraz dokonano jakościowej oceny przepływu wokół łopat wirnika pod kątem występowania niekorzystnych zjawisk aerodynamicznych.

EN

The paper presents the results of computer simulations of flight of gyroplane main rotor. Considered flight conditions included the full range of flight speeds during a horizontal flight, without taking into account the ground effect. Under such conditions, the freely rotating rotor was moving continuously in the state of autorotation. In the article there is shown the methodology of flight simulations as well as the examples of computations and qualitative analyses of the flow around the main rotor of gyroplane. The presented results of calculations include: aerodynamic characteristics, loads and angles of flapping of rotor blades.