Validovaný nestacionární model pro analýzu aerodynamiky protiběžných vrtulí

The doctoral thesis is focused on the development of a new computational model for analysis of contra-rotating propellers, its testing and verification, and application on selected important problems of contra-rotating propeller aerodynamics. An insight into both past and current state-of-the-art methods for numerical simulation of propellers is provided with focus on contra-rotating propellers. Two of the discussed methods, simpler lifting line method and 3D panel method complemented by boundary layer, are used for rotating blade representation. An unsteady force-free wake model is attached to both blade models for induced velocity determination. Robust 3D panel method is coupled with a two-equation integral boundary layer with a new interaction law that enables seamless solution of boundary layer in regions of strong interaction. As a result, the instantaneous velocity fields, wake shapes, pressure forces and friction forces on the blades are available together with overall performance data for arbitrary contra-rotating propeller geometry. The components of the complex model are tested and validated step by step using well defined problems. The newly developed computational tool is used for analysis of a propeller set and the results are compared with experimental data. Finally, effects of rotational rate ratio, propeller distance, advance ratio and angle of free stream velocity are described and a comparison of contra-rotating propeller to an equivalent single propeller is performed.Disertační práce je zaměřena na vytvoření nového výpočetního modelu pro analýzu protiběžných vrtulí, jeho ověření a aplikaci na vybrané případy proudění protiběžnými vrtulemi. Práce poskytuje přehled původních a současných metod pro numerické modelování vrtulí se zaměřením na protiběžné vrtule. Dvojice vybraných výpočetních přístupů, metoda nosné čáry a 3D panelová metoda s mezní vrstvou, jsou použity k simulaci listů vrtulí. Nestacionární volný model úplavu je připojen k listům vrtule ztvárněným oběma přístupy, tak, aby bylo možné získat pole indukovaných rychlostí. Osvědčená 3D panelová metoda je spřažena s integrálním dvourovnicovým modelem mezní vrstvy pomocí nového interakčního postupu, který umožňuje bezproblémové řešení rovnic mezní vrstvy v oblastech silné interakce. Výpočetní model umožňuje získávat okamžitá rychlostní pole, tvary úplavů, rozložení tlaku a třecích sil po listech spolu s celkovými výkonnostními parametry pro libovolné tvary vrtulí. Jednotlivé součásti rozsáhlého výpočetního modelu jsou testovány a ověřovány na základě řešení dílčích zjednodušených úloh. Tento nový výpočetní nástroj je posléze použit pro analýzu proudění protiběžnými vrtulemi včetně porovnání s experimentálně získanými výsledky. V závěru práce jsou popsány reakce soustavy protiběžných vrtulí na změnu poměru otáček, vzdálenost rotorů, poměrnou rychlost a úhel nabíhajícího proudění. Rovněž je provedeno porovnání protiběžných vrtulí s odpovídající samostatnou vrtulí