Analyse numérique et expérimentale d’un doublet de rotors contrarotatifs caréné au point fixe

Other literature type English OPEN
Huo, Chao (2012)
  • Subject: Rotor coaxial | Rotor contra-rotatif | Rotor caréné | Théorie de Froude | Disque actuateur | Carène | Optimisation de performance | Microdrone | Coaxial rotor | Contrarotating rotor | Shrouded rotor | Froude theory | Actuator disk | Shroud | Performance optimization | MAVs | 510

Cette étude se propose d’analyser le comportement du double rotor contra-rotatif caréné dans le cadre des échelles réduites des microdrones, pour exploiter le potentiel d’amélioration des performances stationnaires des rotors libres. La demande d’une performance propulsive de haut niveau, alors que les échelles sont très réduites constitue un véritable défi scientifique. De façon générale, par rapport au rotor libre, l’ajout de la carène permet de piloter la contraction de l’écoulement et offre un potentiel de poussée de carène. La tuyère par sa condition d’adaptation pilote le débit entrant à puissance donnée. L’augmentation du débit massique, par comparaison au système de rotor libre, amplifie la poussée à travers la dépression distribuée sur toute la surface de captation. Pour comprendre les lois de fonctionnement d’un système propulsif caréné, il a d’abord été proposé un modèle théorique simplifié basé sur une extension de la théorie de Froude pour les rotors libres: le système rotor est assimilé à un disque actuateur, générateur de débit dans une conduite à section variable. Une simulation Navier Stokes 2D axisymétrique a permis d’optimiser les paramètres de forme du carénage. Les simulations ont confirmé l’influence déterminante des sections d’entrée et de sortie, et relativisé l’impact des formes possibles, pourvu que les variations de sections limitent le décollement de la couche limite. Après conception d’un banc d’essai utilisant un doublet de rotor coaxial placé dans cette carène optimisée, l’étude expérimentale complète et confirme les performances globales du système et qualifie l’écoulement méridien. Enfin, une simulation 3D instationnaire a été entreprise pour compléter l’analyse de l’écoulement autour des rotors. This study aims to analyze the behavior of shrouded, contrarotating coaxial rotor in the reduced MAVs’ scale in order to exploit its potential to improve the free rotor steady performance. The high hover ability under low operational Reynolds number is therefore, a scientific challenge. Generally, comparing with free rotor, the addition of the shroud decreases the flow contraction and gives the potential to generate an extra thrust. A suitable nozzle can control the mass flow for a given power. The increased mass flow, comparing with free rotor, amplifies the thrust offered by the low pressure formed at the air entrance. To understand the principals of shrouded propulsion system, a simplified theory model was first proposed through the extension of Froude theory for free rotors: the double rotor is initially treated as an actuator disk, generating the flow at varied sections through the shroud passage. A 2D simulation which accounts for an axial flow of viscous effects within the actual shroud profile, confirmed effects of all defined geometrical parameters. It further demonstrated that within the non-stalling region of the different crosssections, shroud shape and inlet shape do not have a significant impact on performance. The experimental study, carried out with coaxial rotor, contributed to the confirmation of the overall performance and the approximation of the flow field through the shroud. Meanwhile, the 3D simulation, developed to better model the actual coaxial rotor in counter rotation, was validated to well solve the steady performance. It was applied to complement the analysis of the flow around the coaxial rotor.
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