Mid-fidelity approach to tiltrotor aerodynamics

Tiltrotors combine the speed and range of a conventional fixed-wing aircraft with the vertical take off and landing capabilities of helicopter, by tilting their proprotors positioned at the end of the wings. The complex aerodynamic involved requires numerous studies for each different configurations, investigating well known problems for both the airplanes and helicopters as well as new ones. The high-fidelity methods can explore these conditions, but the computational cost precludes their applications to a limited number of cases. Meanwhile traditional low-fidelity methods cannot appreciate the complex interactions between the aerodynamic bodies. A new mid-fidelity software, DUST, is used in order to provide reliable results with limited computational efforts. A vortex particle method is used, approximating the vorticity field of the wake with a Lagrangian approach. In this dissertation, DUST is applied to different configurations of the XV-15 tiltrotor. The numerous studies and resources available on this aircraft allowed a thoroughly comparison to CFD and experimental data of the major phenomena that occur in a tiltrotor configuration. The aircraft is studied in steady level flight, and its major operating condition are explored: cruise, conversion and hover mode. In the former, the nacelles are in a horizontal position, and the large blades of the rotor interact with the lifting wing. In the latter, the rotor is horizontal, pushing downward the flow providing the whole vertical force required to fly. The wing is located underneath the rotor, hence a decrease of performances occurs, as well as a high download on the aircraft body. During the conversion mode the tiltrotor can tilt its nacelles, starting from a hover condition, and while it is gaining speed, part of the vertical force will be provided by the wing. Three different conditions will be investigated for this mode, with different speed and rotor inclinations, in order to study the different stages of the conversion maneuver. The results obtained with the mid-fidelity approach were consistent with CFD data and with the physics of the conditions. The complex interactions occurring between the rotor and wing were correctly identified, providing reliable results which a lower-fidelity method could not obtain, with computational costs far lower than CFD analysis.

I convertiplani uniscono la velocità e l'autonomia di un convenzionale aeroplano ad ala fissa con le capacità di portanza verticale dell'elicottero, cambiando l'orientazione delle eliche posizionate all'estremità delle sue ali. I complessi fenomeni aerodinamici presenti richiedono numerosi studi per ciascuna configurazione, al fine di investigare problemi già noti per aeroplani ed elicotteri come anche nuovi. I metodi ad alta fedeltà possono esplorare queste condizioni nel dettaglio, ma il loro elevato costo computazionale limita la loro applicazione ad un numero ristretto di casi. D'altra parte i tradizionali metodi a bassa fedeltà non sono in grado di apprezzare le complesse interazioni aerodinamiche che avvengono tra i vari componenti. Un nuovo software di media fedeltà, DUST, è utilizzato per fornire risultati affidabili con sforzi computazionali limitati. Un metodo vortex particle viene qui utilizzato, in cui il campo di vorticità delle scie dei corpi aerodinamici viene approssimato attraverso un approccio Lagrangiano. In questa tesi, DUST viene applicato a diverse configurazioni del convertiplano XV-15. I numerosi studi e risorse disponibili su questo velivolo hanno permesso un accurato confronto, con dati sperimentali e di analisi CFD, riguardo i fenomeni più importanti che si presentano in un convertiplano. Il velivolo è stato analizzato in condizioni di volo livellato, e le sue principali condizioni di funzionamento sono state analizzate: le modalità di crociera, di volo a punto fisso e di conversione. Nella prima modalità, le eliche sono ruotate in modo tale che il loro asse di rotazione sia orizzontale, e le ampie pale del rotore, che producono la spinta del velivolo, hanno significative interazioni con le ali, che producono la portanza. Per il volo in verticale, il piano di rotazione delle eliche è orizzontale, e la forza verticale viene generata come un elicottero, accelerando il flusso verso il basso. L'ala è collocata sotto parte del rotore, quindi ci sarà una diminuzione delle prestazioni e un forte carico sulle ali. Durante la modalità di conversione il convertiplano può ruotare le proprie eliche, che forniranno anche forza orizzontale in modo di aumentare la propria velocità, finché parte della portanza verrà fornita anche dalle ali. Per questa modalità, tre diverse condizioni di funzionamento verranno investigate, con diversi angoli di inclinazione del rotore e diverse velocità, in modo da rappresentare al meglio le diverse fasi che avvengono in una manovra di conversione. I risultati ottenuti con un approccio a media fedeltà sono in accordo con i dati ricavati da analisi CFD e con la fisica delle condizioni considerate. Le complesse interazioni tra rotore e ala sono state identificate correttamente, fornendo risultati affidabili, non ottenibili da un metodo di bassa fedeltà ma con un costo computazionale nettamente inferiore ad analisi CFD.