Rotorleistungsprognosen für die urbane Luftmobilität: Einzel- vs. koaxiale starre Rotoren

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung und Validierung einer Methodik für hochauflösende Rotorenmodelle, die in hybrider Blade Element Momentum Theory Unsteady Reynolds Average Navier–Stokes (BEMT-URANS) CFD verwendet werden. Die Methodik zeigt sich als genau, um die Leistung von Einzel- und koaxialen Rotoren in einem Bruchteil der Zeit vorherzusagen, die konventionelle CFD-Methoden benötigen. Die Methodik hat drei Hauptmerkmale: (1) ein hochauflösendes BEMT-Rotormodell, das große Reduktionen in der Gittergröße ermöglicht, (2) ein diskretisiertes Set von Impulsquellen, um zwischen dem BEMT-Rotormodell und dem strukturierten URANS-Strömungslöser zu interagieren, und (3) die Nutzung der beiden ersten Merkmale, um hochparallelisierte GPU-b Beschleunigte Multirotor-CFD-Simulationen zu ermöglichen. Der hybride Ansatz behält hochauflösenden Rotorfluss, Wirbelausbreitung und Rotor-Rotor-Wechselwirkungen zu einem um mehrere Größenordnungen niedrigeren Rechenkosten im Vergleich zu konventioneller blenderesolvierter CFD bei und behält gleichzeitig eine hohe Genauigkeit bei stabilen Rotorleistungskennzahlen. Die Rotorleistungsprognosen für Schub und Drehmoment sowohl für Einzel- als auch für koaxiale Rotoranordnungen werden verglichen, um die Daten zu testen, die die Autoren in der NASA Langley 14- by 22-ft. Subsonic Tunnel Facility erhalten haben. Simulationen wurden mit sowohl voll turbulenten als auch freien Übergangsprofilen durchgeführt, um die damit verbundenen Unsicherheiten zu quantifizieren. Das Schub- und Drehmoment des Einzelrotors wurde im Durchschnitt innerhalb von 4 % vorhergesagt. Der koaxiale Schub und die Leistung wurden im Durchschnitt innerhalb von 5 % vorhergesagt. Ein Phänomen der Wirbelringzustände (VRS) für koaxiale Rotorsysteme wird ebenfalls vorgestellt und diskutiert. Die Ergebnisse unterstützen die Ansicht, dass diese hybride BEMT-URANS CFD-Methodik hochparallelisiert auf GPU-Maschinen werden kann, um genaue Rotorleistungsprognosen über das gesamte Spektrum möglicher UAM-Flugbedingungen in einem Bruchteil der Zeit zu erhalten, die konventionelle hochpräzise Methoden benötigen. Diese Strategie kann verwendet werden, um schnell Nachschlagetabellen mit Hunderten bis Tausenden von Flugbedingungen unter Verwendung einer dreidimensionalen Multirotor-CFD für UAM zu erstellen.