Numerical investigation of cavitation performance of slotted hydrofoil for amphibious aircraft applications

Abstract

[ES] El presente estudio se centra en el estudio numérico del rendimiento hidrodinámico de un hydrofoil en el contexto de las aplicaciones para aviones anfibios. En particular, el estudio se centra en la efectividad del uso de un hydrofoil con un slot para minimizar la aparición de cavitación, y por lo tanto, en mejorar el rendimiento del avión anfibio durante la fase de despegue en el medio acuático. En el presente estudio, el avión anfibio ICON A5 es tomado como modelo de referencia. Inicialmente, se propone una metodología de diseño para estimar la superficie del hydrofoil y para determinar qué perfil es mas adecuado para la presente aplicación, en aras de aumentar la eficiencia hidrodinámica y minimizar la aparición del fenómeno de cavitación. Una vez el perfil hidrodinámico es elegido (Clark-Y), un estudio computacional en 2D es llevado a cabo en ANSYS Fluent para estudiar el rendimiento hidrodinámico y ante la cavitación del hydrofoil. Para detectar la aparición de los diferentes regímenes de cavitación (incipiente, cloud y parcial) se usan dos parámetros. Para mejorar la eficiencia del hydrofoil,se propone el uso de un slot como un método pasivo para el control de la capa límite. Tras un numérico estudio en profundidad del régimen de cavitación cloud (número de cavitación igual a 0.7), se verifica que el el flujo re-entrante es el responsable de la aparición de este régimen. Los resultados numéricos muestran que el rendimiento hidrodinámico mejora y los efectos negativos de la cavitación se ven ampliamente reducidos con el uso de un slot. Finalmente, una optimización multiobjetivo basada en un método RSM es llevada a cabo para obtener la posición óptima del slot.

[EN] The proposed study will focus on numerically investigating the performance of hydrofoil in the context of amphibious aircraft application. In particular, we also study the effectiveness of a slotted hydrofoil in minimizing the cavitation phenomenon, and thus improving the overall water takeoff performance of the amphibious aircraft. As a case study, we refer to the ICON A5 as our reference model. First, we propose an approach to estimate the hydrofoil surface and to determine which airfoil is most suitable in terms of preventing cavitation and providing a high hydrodynamic efficiency. Once the hydrofoil is chosen (Clark-Y), a 2-dimensional numerical study of the hydrodynamic and cavitating characteristics of a non-slotted hydrofoil is done in ANSYS Fluent. Two different parameters are used to detect the appearance of the different cavitation regimes, namely incipient, cloud and partial cavitation regimes. To improve the performance, we propose a slotted hydrofoil to be a passive method to control the cavitation performance through the boundary layer control. Numerical results of several slotted configurations demonstrate notable improvement on the cavitation performance. A numerical research for cavitation number 0.7 (cloud cavitation regime) was carried in ANSYS Fluent. To improve the performance, a response surface multi-objective optimization has been done and results prove that both cavitating and hydrodynamic performances can be improved.