Development of computational methods for the aeroelastic analysis of rotors using grid based and/or particle techniques: application to wind turbine and helicopter rotors

Abstract

In this thesis, a high fidelity aeroelastic analysis solver for rotor configurations has been developed. This newly formed computational tool is capable of analyzing complex flow phenomena over a wide part of the sub–sonic region and under the same computational framework. The structural dynamics problem is solved by GAST, an in–house elasto–dynamic analysis module, the development of which started in previous theses and continued in the present. In previous versions of GAST, a Wind Turbine configuration was approximated as an assembly of linear full stiffness matrix Timoshenko beams discretized through a 1D Finite Element Method approach and being sequentially connected in the context of a generic multi–body dynamics representation, not restrained to sequential configurations. During the present thesis, the kinematic and dynamic analysis part was reformed to follow a multi–body dynamics methodology. As a result, GAST may now be used for the structural dynamics analysis of any arbitrary configuration of multiple load paths and connections between slender components (beams). The aerodynamic analysis is based on MaPFlow and HoPFlow. MaPFlow is an in–house conventional Eulerian CFD solver which solves the compressible unsteady Reynolds averaged Navier–Stokes equations under a cell–centered finite volume discretization. Flows in the incompressible region are simulated using Low Mach Preconditioning. HoPFlow is a hybrid Eulerian–Lagrangian compressible CFD solver that combines the standard Eulerian CFD formulation implemented in MaPFlow close to the solid boundaries, with a Lagrangian CFD approach for the rest of the computational space, through a domain decomposition approach. The Fluid Structure Interaction framework is formed through a proper communication protocol that has been developed in the present work and connects the individual structural and aerodynamic modules under a strong coupling approach. The accuracy and the features of this newly formed, high fidelity aeroelastic solver are assessed in complex local flow conditions and over a wide part of the sub–sonic region by applying aeroelastic simulations of both Wind Turbine and helicopter rotors. In the root region of a Wind Turbine rotor, characterized by lower Mach values, detached flow conditions occur. On the other hand, weak shock waves appear near the blades tip of the helicopter rotor, where higher Mach values are encountered. Results are compared against experimental measurements and predictions produced by other CFD based aeroelastic codes. In both cases, the aerodynamic loads of the blades are predicted in great accuracy (comparable to that of standard CFD solvers). The resulting structural loads and the corresponding deflections are estimated fairly well. The same remark is made for the flow–field developed in the region close to the rotors. The above remarks confirm that the coupling method between the Eulerian and the Lagrangian sub–domains that determines the boundary conditions for the confined Eulerian grid is adequate and consistent. The same conclusion is drawn for the coupling between the structural module and the aerodynamic solver.

Στη διατριβή αυτή αναπτύχθηκε ένας αεροελαστικός επιλύτης υψηλής πιστότητας για εφαρμογές δρομέων. Το νέο αυτό εργαλείο είναι σε θέση να αναλύει ιδιαίτερα σύνθετες συνθήκες ροής σε ένα μεγάλο εύρος των υποηχητικών αριθμών Mach σε ένα ενιαίο υπολογιστικό πλαίσιο. Η ελαστοδυναμική ανάλυση πραγματοποιείται από τον GAST, έναν κώδικα που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Αεροδυναμικής του ΕΜΠ στο πλαίσιο προηγούμενων διδακτορικών διατριβών και η ανάπτυξή σου συνεχίζεται έως σήμερα. Στις προηγούμενες εκδόσεις του GAST, ένας δρομέας ανεμογεννήτριας μοντελοποιούταν σαν μία διάταξη γραμμικών δοκών Timoshenko πλήρους μητρώου Δυσκαμψίας, οι οποίες διακριτοποιούνται μέσως μίας προσέγγισης μονοδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων και συνδέονται διαδοχικά μεταξύ τους μέσω ενός πλαισίου δυναμικής πολλαπλών σωμάτων. Κατά τη διάρκεια αυτής της διατριβής, το κομμάτι της κινηματικής και της δυναμικής ανάλυσης αναμορφώθηκε στα πρότυπα ενός γενικευμένου πλαισίου δυναμικής πολλαπλών σωμάτων, δίνοντας τη δυνατότητα στον GAST να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ελαστοδυναμική ανάλυση μιας οποιασδήποτε τυχαίας διάταξης με πολλαπλούς συνδέσμους και σύνθετες ροές δυνάμεων μεταξύ εύκαμπτων σωμάτων με μεγάλο λόγο επιμήκους (δοκοί). Η αεροδυναμική ανάλυση βασίζεται στο MaPFlow και το HoPFlow. Το MaPFlow είναι ένας συμβατικός χωρικός επιλύτης Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής που αναπτύχθηκε επίσης στο Εργαστήριο Αεροδυναμικής του ΕΜΠ και επιλύει τις κατά Reynolds απλοποιημένες συμπιεστές και μη μόνιμες εξισώσεις Navier-Stokes σε μία κεντροκυψελική προσέγγιση της διακριτοποίησης σε πεπερασμένους όγκους. Για την επίλυση των ασυμπίεστων ροών χρησιμοποιείται η τεχνική της προσταθεροποίησης για χαμηλούς αριθμούς Mach. Το HoPFlow είναι ένας υβριδικός χωρικός-υλικός επιλύτης των συμπιεστών εξισώσεων Navier-Stokes που συνδιάζει τη συμβατική λογική της χωρικής επίλυσης (όπως αυτή υλοποιείται στο MaPFlow) κοντά στα στερεά σύνορα με τη λογική της υλικής επίλυσης για όλο το υπόλοιπο υπολογιστικό χωρίο. Η σύζευξη των δύο επιτυγχάνεται μέσω της μεθόδου διαχωρισμού των υπολογιστικών χωρίων. Αντίστοιχα, το πλαίσιο της αλληλεπίδρασης μεταξύ ρευστού και στερεού υλοποιείται ακολουθώντας ένα ειδικό πρωτόκολλο επικοινωνίας που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο αυτής της διατριβής και πραγματοποιεί μια ισχυρή σύζευξη μεταξύ των ξεχωριστών επιλυτών, του ελαστοδυναμικού και του αεροδυναμικού. Η ακρίβεια και οι δυνατότητες αυτού του νέου αεροελαστικού εργαλείου υψηλής ακρίβειας εξετάζονται σε σύνθετες συνθήκες ροής και για ένα μεγάλο εύρος της περιοχής των υποηχητικών αριθμών Mach μέσω αεροελαστικών προσομοιώσεων σε δρομείς τανεμογεννητριών και ελικοπτέρων. Κοντά στη ρίζα των πτερυγίων ενός δρομέα ανεμογεννήτριας, όπου επικρατούν χαμηλοί αριθμοί Mach, προκύπτουν αποκολλήσεις της ροής, ενώ ήπια κύματα κρούσης κάνουν συχνά την εμφάνισή τους κοντά στο άκρο των πτερυγίων ενός δρομέα ελικοπτέρου. Τα αποτελέσματα του νέου αυτού εργαλείου σε τέτοιες περιπτώσεις επαληθεύονται με μετρήσεις από πειράματα και προβλέψεις από άλλους, ήδη πιστοποιημένους, αεροελαστικούς κώδικες που βασίζουν την αεροδυναμική ανάλυση σε υψηλής ακρίβειας μεθόδους Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής. Και στις δύο αυτές διαφορετικές τεχνολογικές εφαρμογές, τα αεροδυναμικά φορτία των πτερυγίων υπολογίζονται με υψηλή ακρίβεια (συγκρίσιμη με αυτή των συμβατικών μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής), ενώ και τα ελαστικά φορτία και οι παραμορφώσεις των πτερυγίων που προκύπτουν προβλέπονται με αρκετά καλή ακρίβεια. Αντίστοιχα είναι και τα συμπεράσματα που προκύπτουν από την εξέταση του πεδίου ροής που αναπτύσσεται κοντά στην περιοχή του δρομέα. Τα παραπάνω επιβεβαιώνουν την ορθότητα των μεθόδων που ακολουθήθηκαν τόσο για τη σύζευξη μεταξύ του χωρικού και του υλικού πεδίου της ρευστομηχανικής ανάλυσης, όσο για τη σύζευξη μεταξύ του ξεχωριστού ελαστοδυναμικού και αεροδυναμικού επιλύτη.