Hovering helicopter interaction with the ground and bluff bodies
Authors: Ανδρόνικος Θεολόγος 
Published: March 2024

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετάται η αλληλεπίδραση ενός αιωρούμενου ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια. Η περιορισμένη βιβλιογραφία επί του φαινομένου τόσο σε υπολογιστικό όσο και σε πειραματικό πλαίσιο αποτέλεσε το κίνητρο της εργασίας. Στόχος της εργασίας είναι η διερεύνηση των επιπτώσεων αυτής της αλληλεπίδρασης στην πτήση αιώρησης του ελικοπτέρου καθώς και η ανάλυση και κατηγοριοποίηση των φυσικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα. ́Οταν ένα ελικόπτερο προσγειώνεται η απογειώνεται ο ομόρρους του αλληλεπιδρά με το έδαφος και πα- ρακείμενα εμπόδια. Η παραπάνω κατάσταση οδηγεί σε μεταβολές των φορτίων και της απόδοσης του ελικοπτέρου, οι οποίες αποτελούν συνάρτηση του λόγου ύψους αιώρησης-διαμέτρου του κύριου δρομέα. Με αυτό τον τρόπο το πεδίο ροής μεταβάλλεται με ουσιώδη τρόπο συγκριτικά με την πτήση αιώρησης μακρυά από στερεά σύνορα. Η πτήση αιώρησης ελικοπτέρου μακρυά από το έδαφος χαρακτηρίζεται από την δημιουργία ενός πίδακα αέρα που εκπέμπεται από τον κύριο δρομέα, με τον ταυτόχρονο σχηματισμό ενός δακτυλίου στροβιλότητας. Προϊόντος του χρόνου, ο δακτύλιος αυτός απομακρύνεται με σταθερή ταχύτητα. Αντίθετα, όταν ένα ελικόπτερο αιωρείται κοντά στο έδαφος ή σε εμπόδια, παρατηρείται η δημιουργία οριακών στρωμάτων πάνω στις επιφάνειες τα οποία αλληλεπιδρούν με τον δακτύλιο στροβιλότητας. Η αλληλεπίδραση των παραπάνω στρωμάτων διάτμησης οδηγεί στην δημιουργία ισχυρών δομών στροβιλότητας, διαμορφώνοντας με αυτό τον τρόπο ένα σύνθετο πεδίο ροής που επηρεάζει την φόρτιση του ελικοπτέρου.Η ανάλυση της αλληλεπίδρασης περιλαβάνει πειραματικά αποτελέσματα και υπολογιστικές προσομοιώσεις για ένα μοντέλο ελικοπτέρου μικρότερης κλίμακας. Οι διαστάσεις του ελικοπτέρου και των εμποδίων έχουν υποστεί ανάλογη μείωσή ούτως ώστε να προσομοιάζουν την αλληλεπίδραση ελικοπτέρου με κτήριο. Η διαστατοποίηση πραγματοποιήθηκε με τέτοιο τρόπο ώστε η ταχύτητα ακροπτερυγίου του κύριο δρομέα να διατηρηθεί σταθερή. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε τρία διαφορετικά πανεπιστήμια και ερευνητικά κέντρα (Πολυτεχνείο του Μιλάνο, Πανεπιστήμιο της Γλα- σκόβης, ONERA) για σχετικά χαμηλούς αριθμούς Re (μικρότερους από 300000). Οι πειραματικές εκστρατείες αφορούν παρόμοιες διατάξεις με διαφορετικές παραμέτρους ωσ τόσο. Με αυτό τον τρόπο και αδιασ τατοποιώντας τα αποτελέσματα, τα συμπεράσματα που εξάγονται μπορούν κατηγοριοποιηθούν βάσει των φυσικών φαινομένων και όχι ανάλογα με την εκάστοτε πειραματική διάταξη.Για την επιβεβαίωση των πειραματικών μετρήσεων πραγματοποιήθηκαν υπολογιστικές προσομοιώσεις με εργαλεία μεσαίας και μεγάλης υπολογιστικής ακρίβειας. Προκαταρκτικές προσομοιώσεις πιστοποίησαν την καλή λειτουργία των εργαλείων και ταυτόχρονα ανέδειξαν τους περιορισμούς της κάθε μεθοδολογίας. Το πρώτο εργαλείο, ένας ασυμπίεστος μη συνεκτικός κώδικας συνοριακών στοιχείων και στοιχείων στροβιλότητας GenUVP, επιτρέπει την προσομοίωση μεγάλου αριθμού περιπτώσεων προλέγοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Σε αυτή την κατεύθυνση, αναδείχθηκανοι περιορισμοί των μη συνεκτικών μεθόδων αφού εγγενώς αδυνατούν να προλέξουν την δημιουργία οριακών στρωμάτων.Για να ξεπεραστεί η παραπάνω αδυναμία, χρησιμοποιήθηκε επιλεκτικά μία υβριδική μέθοδος υψηλής ακρίβειας. Η μέθοδος αυτή συνδυάζει μέσω μίας επαναληπτικής διαδικασίας την Eulerian διατύπωση των εξισώσεων της μηχανικής των ρευστών με την Lagrangian εκδοχή. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται η ικανοποίηση όλων των οριακών συνθηκών του πεδίου, και εισάγεται στις προσομοιώσεις η συνεκτικότητα του εδάφους και των εμποδίων. Τα αποτελέσματα που προλέχθηκαν συγκρίνονται πολύ καλά με τις πειραματικές μετρήσεις.Καταλήγοντας, κάνοντας χρήση τόσο πειραματικών δεδομένων από ανεξάρτητα πειράματα, όσο και υπολογιστικά αποτελέσματα διαφόρων μεθόδων, εξάγονται συμπεράσματα για το πρόβλημα της αλληλεπίδρασης ελικοπτέρου με το έδαφος και με εμπόδια.