CSM/CFD coupling for the dynamic analysis of helicopeter rotors :numerical similations of fluid-structure interaction by coupling a navier-stokes finite volume code and a non linear structure finite element code

• Auteur / Autrice : Biel Ortun
• Direction : Roger Ohayon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris, CNAM

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hélicoptères

Interaction fluide-structure

Aéroélasticité

Résumé

Cette thèse a développé une méthode pour réaliser des simulations aéroélastiques de rotors d´hélicoptère en couplant un code tridimensionnel d’éléments finis (CSM) avec un code de mécanique de fluides (CFD) et un code de mécanique de vol. L’objectif a été développer un outil d’analyse numérique capable de prédire avec précision le comportement aéroélastique d’une configuration a voilure tournante de géométrie arbitraire. Ceci n’est pas possible avec les outils actuels d’aéroélasticité hélicoptère car ils sont tous limités par l’utilisation de modèles structuraux de type poutre. L’idée principale est d’utiliser une approche partitionnée qui permet de coupler les logiciels spécialisés existants pour la structure, le fluide et la mécanique de vol. Ces codes échangent leurs solutions à chaque pas de temps avec une méthode alternée sans sous itérations. Pour cela, un environnement logiciel pour le couplage de codes distribués sur le réseau a été développé, ainsi qu’une méthode pour contrôler le rotor et obtenir des prédictions aéroélastiques respectant l’équilibre en vol. Le nouveau couplage a été appliqué à la simulation de rotors isolés en vol horizontal d’avancement à grande vitesse et les résultats ont été comparés aux mesures en soufflerie. Le couplage peut également calculer des réponses en vol de manœuvre et prendre en compte des effets non linéaires, ainsi que les moyeux complexes modernes de type ‘bearingless’. L’approche partitionnée permet l’exploitation de l’état de l’art dans chacune des disciplines tout en conservant l’énergie à l’interface fluide/structure, et le schéma de couplage sans sous itérations peut être précis au deuxième ordre dans le temps. Les prédictions aéroélastiques respectent les objectifs de la mécanique de vol. Le couplage a été appliqué avec succès à la simulation aéroélastique d��un rotor isolé dont les pales ont été modélisées par éléments finis 3D. Les développements ici entamés seront poursuivis et inscrits au sein de la gamme d’outils utilisés dans l’industrie.

This work has developed a method to perform aeroelastic simulations of helicopter rotors by coupling a three-dimensional finite element structural (CSM) solver to a computational fluid dynamics (CFD) solver and to a flight mechanics code. The objective is to develop a numerical analysis tool able to predict accurately the aeroelastic behaviour of arbitrary rotorcraft configurations and geometries. This is not possible with today’s analyses for rotorcraft aeroelasticity because they are all constrained by the use of beam theory in their structural models. The basic idea is to use a partitioned approach in which existing specialized software for fluid, structure and flight mechanics are coupled in a time-accurate fashion. The solvers exchange their solutions at each time-step with an iteration-free staggered scheme. For this purpose, a software environment for coupling codes distributed over a network was developed, together with a new method to control the rotor and obtain aeroelastic predictions respecting in-flight equilibrium. The new coupling was applied to the simulation of isolated rotors in level high-speed flight and results were compared to wind tunnel measurements. The coupling can solve both steady and transient flight conditions, including nonlinear phenomena. It can be used for the analysis of complex, non slender, structures such as bearingless rotor hubs. The partitioned approach enables the exploitation of state-of-the-art methods in each subdiscipline while conserving the energy at the fluid/structure interface, and the iteration-free staggered schemes can yield second-order time-accuracy. The aeroelastic predictions match the flight mechanics targets. The coupling is successfully applied to the aeroelastic simulation of a rotor with 3D finite element modelled blades. Future work will pursue the developments here engaged in view of an industrial deployment.