Rotor aerodynamics is governed by wake characteristics. Particularly, aerodynamic performance in the hovering flight is determined by the structure and the strength of the wake. In this thesis, rotating blades were simulated using a tightly coupled Navier-Stokes solver and Time-Marching Free-Wake method in hovering and forward flight. The rotating blades and a flow-field near the rotor are calculated by Navier-Stokes solver, and the strength and motions of the wake are simulated with the Time-Marching Free-Wake (TMFW) method. Inflow and outflow conditions in the Navier-Stokes domain are provided from an induced flow rate by the TMFW at each time step. The strength of trailed vortices is determined from a sectional loading calculated in the rotating blade, which is computed using Navier-Stokes solver.
To investigate the robustness and efficiency of the present method, domain-size effects were also tested in large and small background grid systems. Moreover, hovering flight case was simulated without background field grid.
Potential panel as well as lifting line was applied to the present coupled method for describing blade effects. The results of the Navier-Stokes and potential panel coupled method have a good agreement with experimental data. In this thesis, Navier-Stokes solver coupled with TMFW and potential panel have been successfully developed.
로터 공기역학은 로터에서 발생되는 후류 특성에 의하여 지배된다. 특히 헬리콥터의 제자리 비행의 경우 후류의 구조와 강도에 의하여 공력 성능이 결정된다. 본 논문에서는 회전하는 로터 블레이드 공력을 해석하기 위하여 Naiver-Stokes 해석자와 시간전진 자유후류법을 연계하였다. 로터 블레이드와 주변 유동장은 Naiver-Stokes 해석을 하고 원거리 및 후류 영역은 시간전진 자유후류를 통하여 해석된다. Navier-Stokes 영역의 입류와 출류는 시간전진 자유후류의 와선들을 이용하여 매 시간 계산할 수 있다. 또한 자유후류 와선의 특성은 Naiver-Stokes 해석에서 얻어진 블레이드 단면 양력을 이용하여 얻을 수 있다.
본 방법의 강건성과 효율성을 살펴보기 위하여, 로터 블레이드를 포함하는 계산영역의 크기를 달리하여 해석하였다. 특히 제자리 비행 해석의 경우, 바탕 격자 영역을 제거하고 블레이드 격자만을 이용하여 회전하는 블레이드의 공력을 모사하였다.
본 연계기법에서 블레이드 자체에 의한 경계면에서의 유도속도를 일반적인 양력선을 이용하였을 뿐 만 아니라 포텐셜 기반의 패널을 도입하여 블레이드의 두께와 형상에 의한 효과를 반영하였다. 개발된 연계기법의 결과는 실험값 및 다른 해석 결과와의 비교를 통하여 검증되었다. 본 논문을 통하여 Navier-Stokes 해석자와 시간전진 자유후류 연계기법은 성공적으로 개발되었다.
