Reducing vibrations caused by the radome at P-3C Orion: A numerical simulation study

Abstract

Around 1999, a new instrument was mounted on the underbelly of the P-3C aircrafts. The enclosure proctecting the instrument is called a radome. The radome has caused increased levels of vibrations in the aircrafts, strongest in the aft part. It was believed that the origin of the vibrations came from the radome itself, due to fluid-structure interactions at the radome. Later, vibration measurements and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations have revealed that the vibrations are caused by interactions of the turbulent wake, generated by the radome, and the fuselage. It has been shown previously that the shape of the radome is the cause of massive flow separation, resulting in a strongly turbulent wake. Previous CFD simulations have shown that including a fairing system attached to the radome, called “Wedge” in this report, causes a reduction in the area of separation and reduces the strength of the vortices and flow fluctuations. The consequence would be reduced strength of the flow-hull interactions and vibration level. This was confirmed by a series of test flights performed in 2012, where the use of the “Wedge” was found to reduce the energy of the vibrations by around 50 percent. Hatches and equipment attached to the aircraft imposed strong restrictions on the size of the fairing. The line of sight of the instrument should not be influenced, ruling out changes to the spherical part of the radome. Even with such restrictions in fairing design, a good reduction of the vibration level was achieved. The question addressed in this work is what could be achieved with fewer restrictions, and this led to a new, more streamlined, radome shape called “Droplet”. CFD simulations containing the “Droplet” show improved results compared with the “Wedge”. The areas of flow separation become smaller and the strength of the wake vortices is much weaker compared with all other simulation cases considered. In addition to CFD analysis on the “Droplet” and “Wedge” configurations, we have included CFD analysis on an alternative design, consisting of a splitter plate behind the radome. This design was presented in a report on water tunnel tests by L3 Communications in 2010 as one of the configurations that were predicted to reduce the vibrations sufficiently. The main feature of the “Splitter plate” is to suppress the alternating vortex shedding from the radome, thus leading to a more symmetric behaviour of the flow. However, the simulations presented here reveal that the extension of the wake and the strength of the vortices are nearly equal to that of the original radome. We therefore believe that there exist better vibration reducing measures than the “Splitter plate”. The analysis presented in this report shows that the “Droplet” is by far the best of the three vibration reducing measures “Droplet”, “Wedge”, and “Splitter plate”.

Rundt 1999 ble det montert et nytt måleinstrument under P-3C-flyene. Instrumentet er bygget inn i en beskyttende struktur, kalt en radom. Radomen har medført økte vibrasjonsnivåer i flyene, sterkest i den bakre delen. En tidlig hypotese var at vibrasjonene hadde sin opprinnelse i selve radomen, gjennom fluid-struktur-interaksjoner på radomen. Senere har målinger og aerodynamikk-simuleringer avdekket at vibrasjonene skyldes vekselvirkningen mellom det turbulente kjølvannet, generert av radomen, og flykroppen. Det er tidligere vist at formen på radomen forårsaker massiv separasjon av strømningen. Dette fører til et sterkt turbulent kjølvann bak radomen. Tidligere CFD (Computational Fluid Dynamics)- simuleringer har vist at ved å sette en såkalt “fairing” på radomen, i form av en kileaktig utvidelse på baksiden, oppnås mindre separasjonsområde i strømningen og redusert virvelstyrke og strømningsfluktuasjoner. Dette ville gi svakere vekselvirkninger mellom strømningen og skroget, og følgelig redusert vibrasjonsnivå. Dette ble bekreftet ved testflyvninger i 2012, der bruken av denne “Wedge” (kile)-modifikasjonen reduserte vibrasjonsenergien med rundt 50 prosent. Luker og utstyr montert på flyet la sterke begrensninger på størrelsen på eventuelle fairinger. Synslinjen fra instrumentet skulle ikke påvirkes, noe som utelukket muligheten til å dekke til den sfæriske enden av radomen. Selv med slike begrensninger ble det oppnådd gode resultater med “Wedge”- modifikasjonen. Spørsmålet som er stilt i dette arbeidet er hva som kan oppnås med færre designrestriksjoner, og dette har ført til en mer strømlinjeformet radom som vi kaller “Droplet” (dråpe). Simuleringer med denne formen gir enda bedre resultater enn det som ble oppnådd med “Wedge”. Områdene hvor strømningen separerer, er mindre, og kjølvannsvirvlene blir mye svakere enn for alle andre fairing-geometrier som er simulert. I tillegg til “Droplet”- og “Wedge”-konfigurasjonene er det gjort CFD-analyse av et alternativt design, som består av en splitter-plate bak radomen. Dette designet ble presentert i en rapport om vanntunnel-eksperimenter fra L3 Communications i 2010 som en av konfigurasjonene som skulle kunne dempe vibrasjonene tilstrekkelig mye. Hovedeffekten til denne “Splitter plate”-konfigurasjonen er å undertrykke den alternerende virvelavløsningen fra radomen og dermed gi et mer symmetrisk strømningsmønster. Simuleringene som er presentert her, viser imidlertid at bredden av kjølvannet og virvelstyrken er nesten de samme som for den originale radomen. Vi mener derfor at det finnes bedre løsninger for å redusere vibrasjoner enn en slik “Splitter plate”. Analysen i denne rapporten viser at “Droplet”-løsningen er den klart beste av de tre vibrasjonsdempende tiltakene “Droplet”, “Wedge” og “Splitter plate”.