Rotor blade flows occur in numerous physical systems from helicopters to fans, and from propellers to food mixers. Many previous studies have concentrated on the laminar flow generated by a set of rotors but in many practical cases the flow is turbulent, a setting in which previous research appears to be mainly experimental or purely numerical. The thesis examines turbulent rotor flow as its prime feature, before moving on to the impact of the ground and side structures on the flow. Whilst there exists a wide variety of rotor blade flows in industry, the present research is motivated by the application to helicopters. Using asymptotic analysis and computational methods the thesis first examines the turbulent boundary layer on a flat plate with a moving surface and, second, a rotating disc. Analytical and numerical predictions are then derived and compared with previous results. Asymmetry about the axis of rotation is introduced next and the problem of a rotating cut-disc is studied as an approximation to a set of rotors. A numerical solution is obtained and is supported by analytical results. Blade inclination and thickness are then incorporated into the three-dimensional case, with asymmetric blade shape being analyzed as if in two dimensions only. The influence of ground effect is examined firstly through the use of an image potential in the two-dimensional asymmetric blade shape problem and secondly in the axisymmetric case of flow between a stationary and a rotating disc. A numerical solution is determined and compared with existing research, whilst an analytical solution is produced for large radii. The flow between a stationary disc and a rotating cut disc is then briefly discussed before, finally, the possible extension of this thesis to the problem of turbulent jets is examined.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Αλληλεπίδραση Ομόρροπα Περιστρεφόμενων Στροβίλων Απορρέματος» αφορά την πειραματική μελέτη του ροϊκού πεδίου της αλληλεπίδρασης δύο ομόρροπα περιστρεφόμενων στροβίλων που δημιουργούνται από επιφάνειες άντωσης. Η μελέτη αυτού του φαινομένου έχει καταστεί ιδιαίτερα σημαντική κυρίως τις τελευταίες δεκαετίες, με αφορμή ατυχήματα αεροσκαφών τα οποία αποδόθηκαν στη δράση του στροβίλου απορρέματος. Η διερεύνηση του μηχανισμού αλληλεπίδρασης και συγχώνευσης του συστήματος δύο στροβίλων έχει αποτελέσει αντικείμενο ενδιαφέροντος για πολλούς ερευνητές σε όλο τον κόσμο. Παρόλα αυτά, ακόμη και σήμερα η γνώση και κατανόηση τέτοιων προβλημάτων δεν ανταποκρίνεται στις σύγχρονες απαιτήσεις. Η ερευνητική δουλεία που έχει γίνει έχει σαν στόχο να συμβάλει στην εξέλιξη της επιστημονικής γνώσης γύρω από το πολύ σημαντικό πρόβλημα του στροβίλου απορρέματος. Η ερευνητική εργασία είναι πειραματική και περιλαμβάνει μετρήσεις του ροϊκού πεδίου πίσω από διαφορική πτέρυγα, τύπου NACA 0030, τοποθετημένη σε ροή αεροσήραγγας ανοικτού κυκλώματος. Σκοπός της μελέτης αυτής είναι η διερεύνηση της δομής και δυναμικής εξέλιξης του τρισδιάστατου πεδίου ταχύτητας-στροβιλότητας του παραγόμενου ζεύγους ομόρροπα περιστρεφόμενων στροβίλων κατά τη διάρκεια της αλληλεπίδρασης τους και της φυσικής διαδικασίας συγχώνευσης που ακολουθεί ως τον τελικό σχηματισμό ενός γραμμικού στροβίλου. Η τεχνική μέτρησης που χρησιμοποιήθηκε είναι η "Ανεμομετρία Θερμού Σύρματος" υπό σταθερή θερμοκρασία (constant temperature hot wire anemometry) με χρήση αισθητήρων δύο (X-probe), τεσσάρων και δώδεκα συρμάτων (multi sensors). Η παρούσα πειραματική μελέτη, στην οποία για πρώτη φορά μετρούνται ταυτόχρονα τα μέσα και στατιστικά χαρακτηριστικά των τρισδιάστατων πεδίων ταχύτητας-στροβιλότητας σε ροή αυτού του τύπου, επιχειρεί να καλύψει ορισμένα από τα επιστημονικά κενά που υπάρχουν. Το ροϊκό πεδίο αξίζει την ιδιαίτερη προσοχή, δεδομένου ότι σημαντικοί ανταγωνιστικοί μηχανισμοί εμφανίζονται να επιβάλλουν το δομικό σχηματισμό του πεδίου του ζεύγους στροβίλων και της δυναμικής διαμήκους εξέλιξής του, συμπεριλαμβανομένης και της "διάρκειας ζωής" τους. Το συγκεκριμένο σχήμα έχει σημαντικό ενδιαφέρον επίσης από άποψη εφαρμογών, με δεδομένη την επιδίωξη της μείωσης της επικινδυνότητας του στροβίλου απορρέματος, καθώς οι ομόρροπα περιστρεφόμενοι στρόβιλοι σχηματίζονται, μερικές φορές πολύ κοντά και σε άλλες θέσεις, εκτός από το άκρο πτέρυγας, όπως για παράδειγμα από τα flaps και την άτρακτο και γενικά από όλες τις επιφάνειες άντωσης του αεροσκάφους. / Experimental evidence is reported regarding the structure of the three-dimensional mean and fluctuating velocity and vorticity fields of a turbulent corotating vortex pair. The presented results constitute part of ongoing research on vortex wakes aiming at contributing to the understanding of trailing vortex interaction dynamics and turbulence structure. The flow field under study is the result of interaction of the pair of co-rotating tip vortices formed by a split wing configuration, consisting of two half wings of equal length l = 24.5cm arranged at equal and opposite angles of attack,  =  8 degrees. The airfoil profile of the wings is that of a NACA0030 with cord length c = 10cm. The wing arrangement is placed at the entrance of the test section of a low turbulence subsonic wind tunnel, of dimensions 30cm  50cm  300cm. In the near wake region, simultaneous measurements of the three-dimensional vector fields of velocity and vorticity in the corotating vortex pair were conducted using an in-house designed and constructed 12-hotwire sensors vorticity probe. The probe consists of three closely separated orthogonal 4–wire velocity sensor arrays, measuring simultaneously the three–dimensional velocity vector at three closely spaced locations on a cross plane of the flow field. This configuration makes possible the estimation of spatial velocity derivatives by means of a forward difference scheme of first order accuracy. The probe was calibrated in-situ in the core region of a round jet rotatable about the pitch and yaw directions. Based on preliminary visualization experiments the cross plane at x/c=0.3 (near wake) has been selected as representative of the vortex pair formation. The evolution of the vortex pair interaction (far wake region) was recorded by a 4-hotwire sensor, capable of measuring simultaneously the three-dimensional velocity vector of the flow filed. After shedding the two vortices are swept along the streamwise direction. The cores initially move away from each other. The rotational velocity field around each core induces a rotational velocity to the other vortex and thus both vortex cores are spiraling around each other, developing a braid of two vortices and deforming the external flow field in the downstream direction. Gradually the interaction flow field links both vortices together until the final merging and the formation of a new stable linear vortex. In the near wake location, the flow field is dictated by the pressure distribution established by the flow around the wings, mobilizing large masses of air and leading to the roll up of fluid sheets. Fluid streams penetrating between the wings collide, creating on the cross plane flow a stagnation point and an ΄΄impermeable΄΄ line joining the two vortex centres. Along this line fluid is directed towards the two vortices, expanding their cores and increasing their separation distance. This feeding process generates a dipole of opposite sign streamwise mean vorticity within each vortex. The rotational flow within the vortices obligates an adverse streamwise pressure gradient leading to a significant streamwise velocity deficit characterizing the vortices. As vortices start to interact, the two cores lose their symmetry and obtain an elliptical formation. The corotating vortex pair is observed to merge at about 0.6 orbit periods and at a downstream distance of 7c from wing tips. Visualization experiments show that the instantaneous flow field of the vortices preserves at all times the structural characteristics of the mean flow field. The vortices are continuously formed close to the wing tips and the fluctuating flow field is the result of changes in the intensity of the formation (e.g. larger or smaller vortex core size) or changes in the position of the cores (wandering) which both should be attributed to secondary attenuating flow instabilities. In this sense the relation of the turbulent field to the mean field is significantly different from cases with no identifiable coherent flow structures (e.g. grid turbulence) or flow fields in which the successive presence of distinct structures result in an idealized but never present mean flow structure.