Modeling effects of external convective heat transfer on rotating blades in anti-icing operations

Samad, Abdallah (2021). Modeling effects of external convective heat transfer on rotating blades in anti-icing operations. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Calculating the unsteady convective heat transfer on helicopter blades is a first step in the prediction of ice accretion and the design of ice-protection systems. CFD simulations are considered a high-fidelity model of the complex aerodynamics of rotors as well as the heat transfer on blade surfaces. The literature indicates that coupling methods have emerged to model aerodynamic problems in a fast and efficient way, convenient for a conceptual design. Coupling methods are defined as the coupling of classical aerodynamic methods with viscous CFD databases, with the purpose of increasing the classical model fidelity yet maintaining its relatively computationally inexpensive solution. The main objective of this thesis is to develop numerical tools based on a new methodology of coupling to calculate the external convective heat transfer onto rotating blades while heated during anti-icing. Four specific objectives are set : 1- Build a viscous and heat transfer database for an airfoil; 2- Develop a low-fidelity rotor aerodynamic tool coupled with the CFD database; 3- Develop a medium fidelity rotor aerodynamic tool coupled with the CFD database; and 4 – Compare results from the low and medium fidelity tools to those of experimental work conducted on a heated fixed wing and 2- blade rotor. The novelty of this research originates from the introduction of an added layer of the coupling technique to predict rotor blade heat transfer using the Blade Element Momentum Theory (BEMT) and the Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM). The new approach implements the viscous coupling of the two methods from one hand and introduces a link to a new airfoil CFD-determined heat transfer correlation. This way, the convective heat transfer on rotor blades is estimated while benefiting from the viscous extension of the BEMT & UVLM. An airfoil viscous and heat transfer database is built using CFD RANS simulations for a wide range of Re and α as well as two different thermal boundary conditions TBC. A curve fitting method is applied on the obtained average and maximum Frossling Number FrAvg and FrMax. Four correlations are then proposed for the FrAvg and FrMax, two for each TBC. The CFD heat transfer prediction is verified using existing correlations for a flat plate and validated by comparing the predicted airfoil heat transfer to experimental data from the literature. Thrust predictions by the implemented UVLM and BEMT agree within 92% and 80% compared to experimental data for rotors in hover, axial and forward flight. Tip vortex locations by the UVLM are predicted within 90%. The end results present as an estimate of the heat transfer for a typical lightweight helicopter tail rotor for four flight modes. Regarding the fixed wing experiments, comparisons CFD simulations indicate a discrepancy between 5% and 32%, suspected to be due to flow transition effects. For the rotor tests, most points of the experiments agreed with BEMT-RHT and UVLM-RHT predictions between 5% and 12%, although a maximum discrepancy of 80% was found. The rotor tests showed that for a rotor subjected to a freestream of air, turbulence will be present throughout the blade sections. This will cause increases of the heat transfer throughout the airfoil sections that are higher than what’s found on a no-to-low turbulence airfoil flow. The use of the fully turbulent CFD database with the BEMT-RHT and UVLM-RHT was therefore useful in calculating the heat transfer on the rotor blades. Its main limitation however was in the lack of a proper estimation of the transition effect on heat transfer.

Résumé traduit

Le calcul du transfert de chaleur convectif en régime non permanent sur les pales d'hélicoptère est une première étape dans la prévision de l'accrétion de glace et la conception de systèmes de protection contre la glace. Les simulations CFD sont considérées comme un modèle haute fidélité de l'aérodynamique complexe des rotors ainsi que du transfert de chaleur sur les surfaces des pales. La littérature indique que des méthodes de couplage ont émergé pour modéliser des problèmes aérodynamiques d'une manière rapide et efficace, utile pour une conception conceptuelle. Les méthodes de couplage sont définies comme le couplage de méthodes aérodynamiques classiques avec des bases de données CFD visqueuses, dans le but d'augmenter la fidélité du modèle classique tout en maintenant sa solution relativement peu coûteuse en calcul. L'objectif principal de cette thèse est de développer des outils numériques basés sur une nouvelle méthodologie de couplage pour calculer le transfert de chaleur convectif externe sur des pales rotatives lors d'un chauffage lors de l'antigivrage. Quatre objectifs spécifiques sont fixés: 1- Construire une base de données visqueuses et de transfert de chaleur pour un profil aérodynamique; 2- Développer un outil aérodynamique rotor basse fidélité couplé à la base de données CFD; 3- Développer un outil aérodynamique rotor de moyenne fidélité couplé à la base de données CFD; et 4 - Comparer les résultats des outils basse et moyenne fidélité à ceux des travaux expérimentaux menés sur une voilure fixe chauffée et un rotor à 2 pales. La nouveauté de cette recherche provient de l'introduction d'une couche supplémentaire de la technique de couplage pour prédire le transfert de chaleur des pales de rotor à l'aide de la Blade Element Momentum Theory (BEMT) et de la Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM). La nouvelle approche met en oeuvre le couplage visqueux des deux méthodes d'une part et introduit un lien vers une corrélation de transfert de chaleur déterminée par CFD. De cette façon, le transfert de chaleur convectif sur les pales du rotor est estimé tout en bénéficiant de l'extension visqueuse du BEMT et UVLM. Une base de données de transfert de chaleur pour un profil aérodynamique est construite à l'aide de simulations CFD RANS pour une large gamme de Re et α ainsi que pour deux conditions aux limites thermiques différentes TBC. Une méthode d'ajustement de courbe est appliquée sur les nombres de Frossling moyens FrAvg et maximum FrMax obtenus. Quatre corrélations sont alors proposées pour le FrAvg et le FrMax, deux pour chaque (TBC). La prédiction du transfert de chaleur CFD est vérifiée à l'aide des corrélations existantes pour une plaque plane et validée en comparant le transfert de chaleur prévu sur le profil aérodynamique aux données expérimentales de la littérature. Les prévisions de poussée de l'UVLM et du BEMT mis en oeuvre concordent à 92% et 80% par rapport aux données expérimentales pour les rotors en vol stationnaire, axial et horizontal. Les tourbillons de bout d’aile par l'UVLM sont prédits à moins de 90%. Les résultats finaux se présentent comme une estimation du transfert de chaleur pour un rotor de queue d'hélicoptère léger typique pour quatre modes de vol. Concernant les expériences à voilure fixe, les comparaisons de simulations CFD indiquent un écart entre 5% et 32%, suspecté d'être dû à des effets de transition d'écoulement. Pour les essais de rotor, la plupart des points des expériences concordaient avec les prédictions BEMT-RHT et UVLM-RHT entre 5% et 12%, bien qu'un écart maximal de 80% ait été trouvé. Les essais du rotor ont montré que pour un rotor soumis à un écoulement d'air, la turbulence sera présente dans toutes les sections de pale. Cela entraînera des augmentations du transfert de chaleur à travers les sections de profil aérodynamique qui sont plus élevées que ce que l'on trouve sur un écoulement autour d’un profil aérodynamique à faible turbulence. L'utilisation de la base de données CFD entièrement turbulente avec le BEMT-RHT et l'UVLM-RHT a donc été utile pour calculer le transfert de chaleur sur les pales du rotor. Cependant, sa principale limite résidait dans l'estimation correcte de l'effet de transition sur le transfert de chaleur.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 219-231).
Mots-clés libres:	méthode instationnaire Vortex Lattice, théorie de l'élément du moment de pale, transfert de chaleur par convection, givrage/dégivrage, rotorcraft
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Morency, François
Codirecteur:	Codirecteur Volat, Christophe
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	25 oct. 2021 13:44
Dernière modification:	09 déc. 2021 14:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2744

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