CFD simulations of a pitching aerofoil for the study of dynamic stall

Abstract

[ES] La entrada en pérdida dinámica (DS) es un fenómeno inestable no lineal que se produce en un perfil aerodinámico cuando se da un aumento rápido de su incidencia. Tiene una relevancia crucial en aplicaciones industriales como la aerodinámica del rotor de helicópteros o las turbinas eólicas. En este proyecto se realiza un estudio de DS para el perfil NACA0018 utilizando OpenFOAM. Se prueban los enfoques Detached Eddy Simulations (DES), 2D Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) y 3D URANS, incluyendo varios modelos de turbulencia: Spalart-Allmaras, k-omega SST y Langtry-Menter k-omega SST. Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) realizadas incluyen barridos estáticos, dinámicos casi-estacionarios y casos de entrada en pérdida dinámica. Los resultados se validan utilizando las mediciones en túnel de viento de Strangfeld et al. Se encuentra que las simulaciones URANS k-omega SST en 2D representan un excelente compromiso entre la precisión y el coste computacional, prediciendo correctamente los principales eventos físicos de la DS. Además, los resultados de los estudios paramétricos demuestran que el aumento de la frecuencia y la amplitud del movimiento produce un aumento del coeficiente de sustentación máximo, un retraso en el inicio de la entrada en pérdida dinámica y un aumento de la fuerza de la entrada en pérdida, así como un crecimiento del bucle de histéresis.

[EN] Dynamic stall (DS) is a non-linear unsteady phenomenon that occurs in an airfoil when a rapid incidence increase is produced. It has a crucial relevance in industrial applications such as helicopter rotor aerodynamics or wind turbines. In this project, a study of DS for the NACA0018 aerofoil is carried out using OpenFOAM. Detached Eddy Simulations (DES), 2D Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS), and 3D URANS approaches are tested, including several turbulence models: Spalart-Allmaras, k-omega SST and Langtry-Menter k-omega SST. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations performed include static, dynamic quasi-steady sweeps and dynamic stall cases. Results are validated using wind tunnel measurements from Strangfeld et al. It is found that 2D URANS k-omega SST simulations represent an excellent trade-off between accuracy and computational cost, correctly predicting the main physical events of the DS phenomenon. Besides, the results of the parametric studies demonstrate that the increase of the motion frequency and amplitude produces an increase in the maximum lift coefficient, a delayed dynamic stall onset, an enlargement of the stall strength, and a growth of the hysteresis loop size.