Development of an aerodynamic panel code and a vortex particle wake with the fast multipole algorithm

In the context of urban mobility and electric aircraft technology, recent developments have supported the use of distributed propulsion and/or ducted fans, due to a growing interest in UAV/MAV and PAV. Within this frame of reference, the ability to rapidly assess the performance of these design concepts with sufficient fidelity and with relatively low computational cost is key for the current industry. In this way, this paper presents an implementation of an aerodynamic panel code to be integrated with a structural solver, and a viscous Vortex Particle Method (VPM) which has been demonstrated to be a a valuable tool to assess the aerodynamic performance of complex configurations. The elements of the vortex particle method are summarized, while presenting the theoretical aspects related to the coupling with a classical unsteady panel solver. In order to speed up calculations and control the method accuracy, the development of an octree structure suitable to implement a Cartesian Fast Multipole Method (FMM) is presented, together with FMM technical aspects and convergence tests. Preliminary validation results carried on for open hovering helicopter rotors are given, comparing VPM results with wind-tunnel measurements. Finally, introductory investigations for a ducted fan configuration are presented.

Negli ultimi anni è stata posta grande attenzione sul settore della urban mobility e della propulsione elettrica distribuita per aeromobili, grazie ad un crescente interesse in tecnologie UAV/MAV e PAV. Per questo motivo si è riaccesa la ricerca all’interno del settore aeronautico nell’ambito di rotori intubati. All'interno di questo contesto, diventa fondamentale la necessità di avere a disposizione strumenti robusti e relativamente rapidi per gestire la fase di design strutturale ed aerodinamico di queste nuove configurazioni. In questo lavoro di tesi è stato dunque sviluppato un codice aerodinamico potenziale integrato con una scia a vortici discreti, da inserire in un solutore aero strutturale. In particolare, tale scia è stata usata di recente con profitto per il calcolo di prestazioni aerodinamiche di configurazioni complesse. Infatti, attraverso l'approssimazione del campo in vortici puntuali, si evitano gli inconvenienti di una rappresentazione continua della vorticità, propria delle tradizionali scie a pannelli. Per questi motivi, la scia a vortici discreti ben si presta alla modellazione di flussi con mescolamento di scie e interazioni fluido-struttura. Vengono dunque presentati gli elementi teorici del metodo a vortici discreti e le metodologie di integrazione con un solutore potenziale. Per rendere fattibile il calcolo in presenza di un numero elevato di elementi, si riporta l’implementazione adottata di un metodo di calcolo accelerato per il problema degli n-corpi, il cosiddetto Fast Multipole Method (FMM). Quest’ultimo è costruito su di una struttura ad albero che rappresenta gerarchicamente il dominio di calcolo, pertanto si riportano alcuni metodi per l’implementazione di tali strutture dati, insieme alle scelte fatte per soddisfare le esigenze del metodo FMM. Infine, si riportano i risultati di validazione del codice, insieme ad uno studio preliminare di un rotore intubato, di cui si è calcolato le prestazioni attraverso il nuovo metodo a particelle vorticose.