CFD/CSD Coupling for an Isolated Rotor Using preCICE

Modeling a rotor blade flow field involves computing the blade motion, elastic deformation, and the three-dimensional forces and moments for specific trim conditions. Such a complex multiphysics problem, which includes a strong fluid-structure interaction, should be modeled by coupling separate solvers which are specialized on solving single-physics problems. In this work, we present a modular and extensible TAU-CAMRAD II coupling environment using the preCICE coupling library [1]. In this coupling, the aerodynamic forces and moments were computed with the CFD solver TAU. The blade control angle for the CFD simulation were determined by the CSD solver CAMRAD II. We validated the implementation using a modified model of the HART-II rotor at an advancing ratio of µ=0.3. Besides the potential that this work unlocks for future simulations of an active rotor, it also serves as an example of using preCICE for geometric multi-scale (1D-3D) coupling of closed-source solvers for periodic phenomena

Aerodynamic Performance of Morphing Blades and Rotor Systems

Shape Adaptive Blades for Rotorcraft Efficiency (SABRE) is a recently launched Horizon 2020 research project that will develop ground-breaking new helicopter blade morphing technologies with the aim of reducing helicopter emissions. Significant reductions in CO2 and NOx emissions will be achieved by removing one of the most fundamental limitations on helicopter performance: the need for rotor blades to have a single fixed geometry which is inherently a compromise between widely different operating conditions. SABRE envisions shape adaptive rotor blades which can continuously change their shape to optimize performance in rapidly changing aerodynamic environments over the rotor azimuth and changing flow conditions along the blade span, and between different flight states such as hover and fast forward flight. Therefore, the investigated morphing technologies and actuation strategies vary in terms of achievable actuation frequencies and maximum deflections, some of them tailored towards quasi-static actuation (i.e., configuration type changes, hover versus forward flight), and other investigated mechanisms suited for up to 2/rev actuation to achieve optimum rotor performance

HeliOW-Abschlussbericht Hubschraubereinsätze in Offshore-Windparks

Das Verbundvorhaben HeliOW (Hubschrauber-Einsätze in Offshore-Windparks) diente der systematischen Untersuchung von Hubschraubereinsätzen in Offshore-Windparks. Dazu wurde schwerpunktmäßig der Einfluss des Nachlaufs einer Windenergieanlage auf die flugdynamische Reaktion eines Hubschraubers untersucht. Das Verbundvorhaben wurde innerhalb des 6. Energieforschungsprogramms im Zeitraum 01/2017 – 03/2020 mit den Verbundpartnern Eberhard Karls Universität Tübingen, Universität Stuttgart, Technische Universität München und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. durchgeführt. Ziel des Projektes war die Erarbeitung wissenschaftlicher rundlagen für die Prüfung und Bereitstellung von Empfehlungen zur Überarbeitung bestehender Regularien für die zuständigen Behörden. In Zusammenarbeit mit den assoziierten Partnern Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), Luftfahrtbundesamt (LBA), Bundespolizei Fliegergruppe (BPOLFLG), Windpark Heliflight Consulting GmbH (WHC) und Helicopter Travel Munich GmbH (HTM) wurden repräsentative Einsatzszenarien für Hubschraubereinsätze in Offshore-Windparks definiert. Diese waren zum einen der Einflug in den Nachlauf drehender Windenergieanlagen (WEA) und zum anderen der Schwebeflug hinter nichtdrehenden WEA. Es wurde eine multidisziplinäre Simulationskette aufgebaut. Zunächst wurden der Zu- und Nachlauf einer realen Multi-MW WEA mit maritimem Charakter unter Verwendung eines UAS (Unmanned Aircraft System) durch die Universität Tübingen vermessen. Diese Daten wurden von der Universität Stuttgart für die Validierung ihrer WEA-Modelle im CFD (Computational Fluid Dynamics)- Code Flower genutzt. Zusätzlich wurden von der Universität Stuttgart hochaufgelöste CFD-Rechnungen durchgeführt, um den WEA-Nachlauf für die ausgewählten Einsatzszenarien realitätsnah zu berechnen. Ein Meilenstein des Projektes bildete die erfolgreiche Implementierung der resultierenden, sehr großen Geschwindigkeitsfelder (bis zu 128 GB) in die Echtzeitsimulation des AVES (Air Vehicle Simulator) des DLR. Damit konnten Pilotenstudien auf der Bewegtplattform des AVES durchgeführt werden. Hierbei kam die maritime Sichtsimulation des AVES in Verbindung mit einer Nachbildung des Global Tech I Offshore-Windparks zum Einsatz. Im Rahmen der Versuche beurteilten die Piloten die Stärke der Turbulenz sowie ihre Arbeitsbelastung für die ausgewählten Einsatzszenarien. Darüber hinaus wurden die Geschwindigkeitsfelder in die flugdynamische Simulation der Technischen Universität München eingebunden. Anhand der Desktopsimulationen der TUM sowie der Pilotenstudien des DLR war eine Bewertung des Einflusses eines WEA-Nachlaufs auf die Steuerbarkeit des Hubschraubers möglich. Für die untersuchten Einsatzszenarien ergaben sich mit den getroffenen Vereinfachungen der Modellierungen in der Simulationskette und den daraus resultierenden Einschränkungen keine kritischen Flugzustände für den Hubschrauber. Daher kann momentan davon ausgegangen werden, dass die Sicherheitsabstände und Flugverfahren wie sie für die untersuchten Einsatzszenarien derzeit praktiziert werden aus Sicht der Flugsicherheit kein Handlungsbedarf für die Behörden und Operateure zur Überarbeitung besteht. Eine abschließende Bewertung der in HeliOW ermittelten Ergebnisse kann jedoch erst nach einer vollständigen Validierung der im Projekt verwendeten Modelle erfolgen. Dazu müssen experimentelle Daten über das Projekt HeliOW hinaus gewonnen werden