Una interacción de vórtices de palas ( BVI ) es un fenómeno inestable de naturaleza tridimensional, que ocurre cuando una pala de rotor pasa muy cerca de los vórtices de punta desprendidos de una pala anterior. Las interacciones aerodinámicas representan un tema importante de investigación en el campo de la investigación de helicópteros debido a la influencia adversa que producen en el ruido del rotor , particularmente en condiciones de vuelo o maniobra de descenso a baja velocidad, que genera ruido impulsivo de gran amplitud .
La literatura distingue diferentes clases de BVI en rotores de helicópteros dependiendo del eje del vórtice impactante con respecto a la envergadura de la pala. [1] [2] En general, se puede dividir en cuatro tipos distintos, que se describirán a continuación:
El BVI paralelo se produce cuando el vórtice y los ejes de las palas son nominalmente paralelos. Es el fenómeno BVI el que produce el ruido impulsivo (armónico) de mayor amplitud , debido a que el vórtice inestable se mueve hacia la corriente descendente. [3] [4]
La BVI perpendicular se produce cuando los ejes son perpendiculares y se encuentran en planos paralelos. Debido a su baja inestabilidad, el efecto de ruido de la BVI perpendicular es menos significativo con respecto a la BVI paralela. Produce un ruido de banda ancha continuo caracterizado por una intensidad mucho menor en comparación con el ruido impulsivo (armónico) , que causa la BVI paralela. [5] [6]
La BVI oblicua se produce entre el vórtice y la pala cuando los ejes son oblicuos. En el campo de la investigación de helicópteros, la BVI oblicua es un fenómeno común que parece una acción intermedia entre la BVI paralela y la BVI perpendicular.
La interacción ortogonal ocurre cuando los ejes del vórtice se encuentran en planos ortogonales. En el contexto de la aplicación en helicópteros, la interacción ortogonal suele darse entre los vórtices de punta generados por el rotor principal y la pala del rotor de cola .
Como fuente predominante de ruido, el fenómeno de las vibraciones de las alas puede ser perjudicial para la integridad de la estructura de las palas, debido a la fluctuación inestable de la aerodinámica, como las sacudidas de vórtice y la pérdida de sustentación dinámica en las palas en retroceso. Por lo tanto, las vibraciones de las alas se convierten en una preocupación primordial en el campo de la investigación de helicópteros. Para comprender mejor las características del flujo de las vibraciones de las alas y suprimir el ruido y la vibración de forma activa, es importante predecir las vibraciones de las alas con precisión. Recientemente, las herramientas para capturar las vibraciones de las alas se pueden dividir en tres partes, que se describirán a continuación:
En cuanto a los problemas aerodinámicos, la prueba del túnel de viento es una herramienta básica utilizada en la investigación. En 1994, investigadores del DLR alemán , ONERA francés , NASA Langley y la Dirección de Dinámica de Vuelo Aeronáutico del Ejército de los EE. UU. (AFDD) formaron un consorcio internacional para llevar a cabo un programa experimental integral que se denominó proyecto HART I (Higher Harmonic Control Aeroacoustic Rotor Test I) en la gran instalación de baja velocidad de DNW (túnel de viento germano-holandés). En esta prueba, se utiliza un modelo de rotor BO-105 a escala del 40% junto con un fuselaje, se introduce una gama de técnicas de medición sofisticadas para medir el nivel de ruido , la presión de la superficie de la pala, los vórtices de la punta , los movimientos de la pala y los momentos estructurales con y sin la aplicación de entradas de control de paso HHC (Higher Harmonic Control). [7] En 2001, se llevó a cabo un programa de actualización llamado HART II para mejorar la comprensión básica y las capacidades de modelado analítico del ruido BVI del rotor con y sin entradas de control de paso armónico más alto (HHC), particularmente el efecto de las estelas del rotor en el ruido y la vibración del rotor . [8]
La simulación precisa de la estructura del vórtice en la estela es una parte crucial de la investigación en las Islas Vírgenes Británicas. Actualmente, los métodos analíticos para la captura del fenómeno en las Islas Vírgenes Británicas se basan principalmente en el modelo de estela libre, que tiene una alta eficiencia pero una gran dependencia de los parámetros empíricos y no puede incluir el efecto de la viscosidad del aire ; además, la aerodinámica calculada en el modelo de estela libre se basa en la teoría de la línea de sustentación con el inconveniente de la captura de la carga de aire y la descripción del campo de flujo, especialmente para las características del flujo transónico . [9]
En los últimos cincuenta años, los métodos de dinámica de fluidos computacional (CFD) experimentaron un gran desarrollo desde que el método CFD se aplicó por primera vez a la investigación de helicópteros en la década de 1970. [10] El desarrollo de la CFD de rotor ha pasado por tres etapas.
Las ecuaciones de potencial completo se basan en la teoría del flujo potencial , pero el resultado calculado por este método suele ser mayor que el real, ya que ignora el efecto de la estela . Actualmente, también se puede aplicar para predecir BVI debido a las excelentes ventajas en eficiencia computacional. [11] Con el desarrollo de la tecnología informática, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes comenzaron a usarse para la investigación aerodinámica del rotor. En comparación con la ecuación de potencial completo, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes no solo pueden capturar con precisión el fenómeno de flujo no lineal del campo de flujo del rotor, sino que también pueden capturar el movimiento del vórtice de la punta de la pala en el dominio computacional. En la actualidad, las ecuaciones de Euler / Navier-Stokes se han convertido en el método dominante en el campo de CFD del rotor del helicóptero . Sin embargo, debido a la complicación del campo de flujo del rotor, aún quedan muchos problemas por resolver, como el movimiento de la pala, la deformación elástica , la densidad de la malla y la captura de la estela del rotor.
Actualmente, los investigadores han desarrollado algún tipo de tecnologías híbridas para abordar los problemas anteriores. Por ejemplo, se llevó a cabo un método de simulación de remolinos separados (DES) de alta fidelidad para predecir con precisión las cargas de aire cerca de la pala; [12] [13] se utilizó el método de cuadrículas Chimera adaptadas para capturar con precisión el vórtice arrojado por las palas; [14] se llevó a cabo ampliamente el CFD / CSD (dinámica de estructura computacional) para explicar de manera más efectiva el cambio del campo de flujo causado por la deformación elástica de las palas. [15] Mientras tanto, algunos académicos han comenzado a introducir un modelo de vórtice discreto (DVM) de alta resolución en el método CFD / CSD. El método CFD / CSD / DVM no solo puede mejorar la precisión del cálculo de BVI, sino que también elimina eficazmente las deficiencias de los métodos CFD en lo numérico, además, puede reducir en gran medida las fuentes de cálculo. [16] [17] [18] Es una dirección importante que merece un mayor desarrollo en la predicción de BVI.