interacción pala-vórtice

La BVI paralela se produce cuando el vórtice y los ejes de las palas son nominalmente paralelos. Es el fenómeno BVI el que produce el ruido de impulso (armónico) de mayor amplitud , debido a que el vórtice inestable se mueve hacia aguas abajo. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La BVI perpendicular se produce cuando los ejes son perpendiculares y se encuentran en planos paralelos. Debido a su baja inestabilidad, el efecto de ruido de la BVI perpendicular es menos significativo con respecto a la BVI paralela. Produce un ruido de banda ancha continuo caracterizado por una intensidad mucho menor en comparación con el ruido impulsivo (armónico) causado por la BVI paralela. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La interacción vórtice-vórtice oblicua (BVI) se produce entre el vórtice y la pala cuando los ejes son oblicuos. En el campo de la investigación de helicópteros, la BVI oblicua es un fenómeno común que se asemeja a una acción intermedia entre la BVI paralela y la BVI perpendicular.

La interacción vórtice-vórtice ortogonal se produce cuando los ejes del vórtice se encuentran en planos ortogonales. En el contexto de las aplicaciones de helicópteros, la interacción ortogonal suele darse entre los vórtices de punta generados por el rotor principal y la pala del rotor de cola .

En cuanto a los problemas aerodinámicos, las pruebas en túnel de viento son una herramienta básica utilizada en la investigación. En 1994, investigadores del DLR alemán , el ONERA francés , el Centro de Investigación Langley de la NASA y la Dirección de Aerodinámica del Ejército de los EE. UU. (AFDD) formaron un consorcio internacional para llevar a cabo un programa experimental integral denominado proyecto HART I (Higher Harmonic Control Aeroacoustic Rotor Test I) en las grandes instalaciones de baja velocidad del DNW (túnel de viento germano-holandés). En esta prueba, se utiliza un modelo de rotor BO-105 a escala del 40 % junto con un fuselaje, y se introducen diversas técnicas de medición sofisticadas para medir el nivel de ruido , la presión en la superficie de las palas, los vórtices de punta , los movimientos de las palas y los momentos estructurales con y sin la aplicación de entradas de control de paso HHC (Higher Harmonic Control). ^{[ 7 ]} En 2001, se llevó a cabo un programa de actualización llamado HART II para mejorar la comprensión básica y las capacidades de modelado analítico del ruido BVI del rotor con y sin entradas de control de paso de armónicos superiores (HHC), en particular el efecto de las estelas del rotor en el ruido y la vibración del rotor . ^{[ 8 ]}

La simulación precisa de la estructura del vórtice en la estela es una parte crucial de la investigación sobre BVI. Actualmente, los métodos analíticos para capturar el fenómeno BVI se basan principalmente en el modelo de estela libre, que tiene una alta eficiencia pero una seria dependencia de parámetros empíricos y no puede incluir el efecto de la viscosidad del aire . Además, la aerodinámica calculada en el modelo de estela libre se basa en la teoría de la línea de sustentación, con el inconveniente de capturar la carga de aire y describir el campo de flujo, especialmente para las características del flujo transónico . ^{[ 9 ]}

En los últimos cincuenta años, los métodos de dinámica de fluidos computacional (CFD) experimentaron un gran desarrollo desde que el método CFD se aplicó por primera vez a la investigación de helicópteros en la década de 1970. ^{[ 10 ]} El desarrollo de la CFD de rotores ha pasado por tres etapas.

• Ecuaciones de potencial completo
• Ecuaciones de Euler
• Ecuaciones de Navier-Stokes ( RANS , LES )

Las ecuaciones de potencial completo se basan en la teoría del flujo potencial , pero el resultado calculado por este método suele ser mayor que el real, ya que ignora el efecto de la estela . Actualmente, también se puede aplicar para predecir BVI debido a las excelentes ventajas en eficiencia computacional. ^{[ 11 ]} Con el desarrollo de la tecnología informática, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes comenzaron a utilizarse para la investigación aerodinámica de rotores. En comparación con la ecuación de potencial completo, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes no solo pueden capturar con precisión el fenómeno de flujo no lineal del campo de flujo del rotor, sino que también pueden capturar el movimiento del vórtice de la punta de la pala en el dominio computacional. En la actualidad, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes se han convertido en el método dominante en el campo de CFD de rotores de helicópteros . Sin embargo, debido a la complejidad del campo de flujo del rotor, todavía hay muchos problemas que deben resolverse, como el movimiento de la pala, la deformación elástica , la densidad de la malla y la captura de la estela del rotor.

Actualmente, los investigadores han desarrollado algún tipo de tecnologías híbridas para abordar los problemas anteriores. Por ejemplo, se llevó a cabo el método de simulación de remolinos separados (DES) de alta fidelidad para predecir con precisión las cargas de aire cerca de la pala; ^{[ 12 ] [ 13 ]} se utilizó el método de rejillas Chimera adaptado para capturar con precisión el vórtice desprendido por las palas; ^{[ 14 ]} se llevó a cabo ampliamente el CFD /CSD (Dinámica Estructural Computacional) para tener en cuenta de manera más efectiva el cambio del campo de flujo causado por la deformación elástica de las palas. ^{[ 15 ]} Mientras tanto, algunos académicos han comenzado a introducir el modelo de vórtice discreto (DVM) de alta resolución en el método CFD /CSD. El método CFD /CSD / DVM no solo puede mejorar la precisión del cálculo de BVI, sino que también elimina eficazmente las deficiencias de los métodos CFD en el aspecto numérico, además, puede reducir en gran medida los recursos computacionales. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]} Es una dirección importante que merece un mayor desarrollo en la predicción de BVI.