Application and Optimization of Leading Edge Tubercles on Rotor Blades

Abstract

Current rotorcraft hover performance is limited by achievable thrust for given rotational velocities and the associated power requirements on the engine. Rotor hover performance is also sacrificed when rotor blades are designed to mitigate retreating blade stall influenced by local airfoil stall performance in root regions, and compressible flow effects and drag divergence of the advancing blade in the tip regions. Tubercles are bio-inspired leading edge protuberances which act as passive flow control devices. When applied to lifting surfaces tubercles have shown to improve post-stall performance in the subsonic regime, and to delay shock-wave formation and improve drag divergence Mach numbers in the transonic regime. This study explores the effects of leading edge tubercles applied to a canonical rotor blade in an effort to improve aerodynamic performance of a rotor in hover without sacrificing forward flight performance. Various tubercle shapes and configurations were analyzed using computational fluid dynamic simulations using Euler and RANS equations. Improvements in Figure of Merit up to 3% were found over the baseline rotor for specific tubercle configurations when operating at a pitch angle of 2–8 degrees and tip Mach number of 0.5–0.83. An increase in thrust coefficients and reduction in power coefficients over the baseline rotor were both attributed to alteration of flow behaviour in different regions of the rotor blade when leading edge tubercles were added. Initial characterization of leading edge tubercles applied to rotor blades alluded to an optimal combination and distribution of tubercle shapes depending on the flow condition. Therefore, a new optimization method is developed which employs computational fluid dynamics and blade element theory to determine an optimal rotor configuration for the multi-objective problem of a rotor in hover and in forward flight. The numerical findings are further supported in an experimental characterization of the newly developed rotor rig at Royal Military College.

La performance des aérogires en vol stationnaire est présentement limitée par la poussée atteignable pour une certaine vitesse rotationnelle des rotors et la puissance nécessaire du moteur. La performance en vol stationnaire est aussi diminuée lorsque les pales de rotors sont con çues pour mitiger le décrochage des pales en retraites, qui est influencé par la perfor- mance du profil d’aile local en décrochage dans les régions d’emplantures et par les effets de l’écoulement compressible et la divergence de trainée sur la pale an avance dans la région du bout de rotor. Les tubercules sont des protubérances sur le bord d’attaque, inspirées par la biologie, qui agissent comme des dispositifs de contrôle passifs de l’écoulement. Les tubercules ont démontré une amélioration des performances post-décrochage dans le régime subsonique lorsqu’appliquées aux surfaces portantes et un retard de la formation des ondes de choc et une amélioration des nombres de Mach de la divergence de trainée dans le régime transsonique. Cette étude explore les effets des tubercules de bord d’attaque sur une pale de rotor canonique avec le but d’améliorer la performance aérodynamique d’un rotor en vol stationnaire sans sac- rifier la performance du vol vers l’avant. Plusieurs formes et configurations de tubercules ont été analysées en utilisant des équations Euler et RANS avec des simulations informatiques de dynamique des fluides. Des améliorations du facteur de mérite de 3 % ont été observées en comparaison avec le rotor de base pour des configurations de tubercule spécifiques en opérant à angle de tangage de 2–8 degrés et un nombre de Mach de bout de 0,5–0,83. Une amélioration des coefficients de poussée et une diminution des coefficients de puissance, comparé au rotor de base, ont été attribuées au changement du comportement de l’écoulement dans certaines régions du rotor causé par la présence des tubercules au bord d’attaque. La caractérisation initiale des tubercules de bord d’attaque aux pales de rotor a suggéré une combinaison et distribution optimale des formes de tubercule, dépendant de la condition de l’écoulement. Donc, une nouvelle méthode d’optimisation, qui utilise la dynamique des fluides informatique et la théorie d’élément de pale, a été développée afin de déterminer une configuration de rotor optimale pour le problème à plusieurs objectifs d’un rotor en vol stationnaire et en vol vers l’avant. Les données numériques sont supportées par une caractérisation expérimentale de la plate-forme de rotor nouvellement développée du collège militaire royal.