ブレードと渦の相互作用

ブレード渦相互作用( BVI ) は、ローターブレードが前のブレードから放出された先端渦のすぐ近くを通過するときに発生する、3 次元の非定常現象です。空力相互作用は、ローター騒音に悪影響を与えるため、特に低速降下飛行状態や操縦中に高振幅の衝撃騒音が発生するため、回転翼航空機の研究分野では重要な調査テーマとなっています。

文献では、ヘリコプターのローターにおけるBVIは、ブレード幅に対する衝突渦軸に応じて異なるクラスに区別されています。 ^{[1] [2]}一般的に、BVIは4つの異なるタイプに分類され、次のように説明されます。

平行BVIは、渦とブレード軸が名目上平行な場合に発生します。不安定な渦が下流に向かって移動することにより、最大振幅のインパルス（高調波）ノイズが発生するBVI現象です。 ^{[3] [4]}

垂直BVIは、軸が垂直で平行な面にある場合に発生します。不安定性が低いため、垂直BVIのノイズ効果は平行BVIに比べてそれほど重要ではありません。平行BVIによって引き起こされるインパルス（高調波）ノイズと比較して、はるかに低い強度を特徴とする連続的な広帯域ノイズを生成します。^{[5] [6]}

斜めBVI は、軸が斜めの場合に渦とブレードの間で発生します。ヘリコプターの研究分野では、斜め BVI は平行 BVI と垂直 BVI の中間的な動作のように見える一般的な現象です。

直交BVI は、渦の軸が直交面にある場合に発生します。ヘリコプターの用途では、直交相互作用は通常、メインローターによって生成される先端渦とテールローターのブレードの間に発生します。

BVI 現象は騒音の主な発生源であるだけでなく、後退するブレードの渦流や動的失速など、空気力学の不安定な変動により、ブレード構造の完全性にも悪影響を及ぼす可能性があります。そのため、BVI はヘリコプター研究分野で最大の関心事となっています。BVI の流れ特性をより深く理解し、騒音と振動を積極的に抑制するには、BVI を正確に予測することが重要です。最近、BVI を捕捉するためのツールは、次のように 3 つの部分に分けられます。

空力問題に関しては、風洞試験は研究に使用される基本的なツールです。1994年、ドイツのDLR、フランスのONERA、NASAラングレー、および米国陸軍航空飛行力学局（AFDD）の研究者が国際コンソーシアムを結成し、DNW（ドイツ・オランダ風洞）の大型低速施設でHART I（高調波制御航空音響ローターテストI）プロジェクトと呼ばれる包括的な実験プログラムを実施しました。このテストでは、胴体とともに40％縮小された BO-105ローターモデルが使用され、HHC（高調波制御）ピッチ制御入力の適用の有無で、騒音レベル、ブレード表面圧力、先端渦、ブレードの動き、構造モーメントを測定するために、さまざまな高度な測定技術が導入されています。^{[7] 2001年には、高調波ピッチ制御（HHC）入力の有無にかかわらず、ローターBVIノイズ、特にローター後流がローター}ノイズと振動に与える影響に関する基本的な理解と解析モデル化機能を向上させるために、HART IIと呼ばれる更新プログラムが実施されました。^[8]

後流中の渦構造の正確なシミュレーションは、BVI研究の重要な部分です。現在、BVI現象を捉える解析方法は主に自由後流モデルに基づいていますが、これは非常に効率的ですが、経験的パラメータに大きく依存し、空気粘性効果を含めることができません。さらに、自由後流モデルで計算される空気力学は揚力線理論に基づいていますが、特に遷音速流の特性については、空気荷重の捕捉と流れ場の記述に欠点があります。^[9]

計算流体力学（CFD）法は、1970年代にヘリコプターの研究に初めて適用されて以来、過去50年間で大きな発展を遂げました。[ 10 ]ローターCFD^の 発展は3段階を経てきました。

• フルポテンシャル方程式
• オイラー方程式
• ナビエ・ストークス方程式 ( RANS、LES )

フルポテンシャル方程式はポテンシャルフロー理論に基づいていますが、この方法で計算された結果は、後流の影響を無視しているため、通常、実際の結果よりも大きくなります。現在、計算効率の優れた利点により、BVIの予測にも適用できます。^[11]コンピューター技術の発展に伴い、オイラー/ナビエ・ストークス方程式がローターの空力研究に使用され始めました。フルポテンシャル方程式と比較して、オイラー/ナビエ・ストークス方程式は、ローター流れ場の非線形流動現象を正確に捉えることができるだけでなく、計算領域でブレード先端渦の動きを捉えることもできます。現在、オイラー/ナビエ・ストークス方程式は、ヘリコプターのローターCFDの分野で支配的な方法になっています。ただし、ローター流れ場の複雑さにより、ブレードの動き、弾性変形、メッシュ密度、ローター後流の捕捉 など、解決する必要がある問題がまだ多く残っています。

現在、研究者らは上記の問題に対処するために、ある種のハイブリッド技術を開発している。例えば、ブレード付近の空気負荷を正確に予測するために、高精度の分離渦シミュレーション（DES）法が実施された。 ^{[12] [13]}適応キメラグリッド法は、ブレードによって放出される渦を正確に捕捉するために使用された。 ^[14] CFD / CSD（計算構造ダイナミクス）は、ブレードの弾性変形によって引き起こされる流れ場の変化をより効果的に考慮するために広く実施された。^[15]一方、一部の学者は、高解像度の離散渦モデル（DVM）をCFD / CSD法に導入し始めている。CFD / CSD / DVM法は、BVIの計算精度を向上させるだけでなく、数値上のCFD法の欠点を効果的に排除し、さらに計算ソースを大幅に削減することができる。^{[16] [17] [18]}これは、BVI予測においてさらに発展する価値のある重要な方向である。

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