Numerical investigation of the effect on aerodynamic performances of the inter-propeller distance in a contra-rotating propeller

Abstract

The present thesis focuses on the numerical investigation of low-Reynolds contra-rotating propellers (CRPS) aerodynamics relevant in unmanned air vehicle applications. The objective of this study is to assess the effect of inter-propeller distance on the aerodynamic performances of the system (indicated by the thrust coefficient C, the power coefficient Cp and the efficiency n). Two numerical approaches are considered: the vortex lattice method (VLM) through the OpenVSP software, and computational fluid dynamics (CFD) with OpenFOAM and ANSYS- Fluent using the standard k-ɛ turbulence model. Simulations are performed on an isolated propeller for multiple advance ratios and compared to the experimental data available of the propeller with the closest geometry in order to assess the two proposed approaches. Then, simulations for CRP configurations are executed (all advance ratios as in the isolated case are considered in VLM, whereas simulations have been executed for the maximal efficiency case using CFD) and compared with each other. Different results have been obtained using the two approaches. However, the conclusion that CRP systems are advantageous for the maximal efficiency advance ratio is common. Results indicate that spacing has little to no effect on efficiency; but CFD predicts an increase of thrust with the increase of spacing meaning that a higher inter-propeller distance allows for higher thrust value while conserving efficiency.

Résumé: Le présent mémoire se concentre sur l'étude numérique de l'aérodynamique des hélices contrarotatives (CRP) dont les applications s'étendent dans le domaine des drones. L'objectif de cette étude est d'évaluer l'effet de l'espacement (distance inter-hélice) sur les performances aérodynamiques du système (indiquées par le coefficient de poussée CT, le coefficient de puissance Cp et le rendement n). Deux approches numériques sont considérées : la méthode <«< vortex lattice» (VLM) avec le logiciel << OpenVSP », et la dynamique des fluides numérique (CFD) avec OpenFOAM et ANSYS-Fluent comme logiciels en employant le modèle de turbulence k-ɛ. Les simulations sont exécutées sur une hélice isolée pour plusieurs coefficients d'avancement et sont comparées aux données expérimentales de l'hélice à la géométrie la plus proche afin d'évaluer les deux approches. Puis, des simulations sur les cas contrarotatifs sont exécutées (tous les coefficients d'avancement sont considérées avec la VLM, mais seulement le case de rendement maximal pour la CFD) et sont comparées entre-elles. Différents résultats sont obtenus à l'aide des deux approches. Cependant, la conclusion que les CRP sont plus avantageuses pour le coefficient d'avancement donnant un rendement maximal est commune. Les résultats obtenus indiquent que l'espacement a un effet négligeable sur le rendement, mais la CFD prédit une augmentation de la poussée avec l'augmentation de l'espacement, ce qui veut dire qu'il est possible d'obtenir des valeurs supérieurs de la poussée en conservant le même rendement. ملخص تركز هذه المذكرة على الدراسة الرقمية لديناميكية الهواء للمروحيات ذات الدوران المعاكس وذات رقم رينولدز المنخفض، ذات تطبيقات في مجال الطائرات بدون طيار. الهدف من هذه الدراسة هو تقييم تأثير المسافة بين المروحتين على الأداء الديناميكي للنظام المشار إليه بمعامل الدفع ، معامل الإستطاعة C ، والكفاء ) يتم النظر في نهجين رقميين: طريقة (Vortex Lattice (VM من خلال برنامج OpenVSP ، و ديناميك الموائع الحاسبية (CFD) باستخدام OpenFOAM و ANSYS-Fluent من خلال نموذج k-e القياسي. يتم إجراء المحاكاة على مروحة معزولة لمعاملات تقدم متعددة ومقارنتها بالبيانات التجريبية المتاحة للمروحة ذات الشكل الأقرب من أجل تقييم النهجين المقترحين ثم يتم تنفيذ محاكاة لأنظمة (CRP جميع معاملات التقدم تعتبر في VLM ، بينما تم تنفيذ المحاكاة للحالة التي تحقق أقصى كفاءة باستخدام (CFD ومقارنتها مع بعضها البعض. تم الحصول على نتائج مختلفة باستخدام النهجين. ومع ذلك، الاستنتاج بأن أنظمة CRP هي الأحسن لنسبة التقدم الكفاءة القصوى مشترك. تشير النتائج إلى أن المسافة بين المرويتين لها تأثير ضئيل على الكفاءة؛ ولكن CFD يتنبأ بزيادة الدفع مع زيادة المسافة، مما يعني أن مسافة أكبر بين المروحتين تسمح بقيمة دفع أعلى مع الحفاظ على الكفاءة.