Experimental-numerical investigation of the aerodynamic interaction between tandem propellers in eVTOL airplane mode

The rising number of wide metropolitan areas with huge amount of population introduced the brand new concept of Urban Air Mobility. The latest trends pushed the aeronautical industiral sector towards the eVTOL concept, i.e. electrical vertical take-off and landing. Electrical power, tilt-wing configuration and multiple propellers are the key aspects of such concept. In particular, the presence of multiple propellers working at close range introduces a new challenge: the investigation of the rotor-rotor aerodynamic interaction. This topic is rather new and the present work aims to investigate the main physical aspects of the phenomenon in a typical eVTOL configuration. A dedicated wind tunnel testing campaign is performed to investigate deeply the tandem configuration, i.e. with the propellers placed one after the other. The performance of the tandem propellers were compared with an isolated configuration both in terms of loads and PIV visualisations. The experimental results are the first step in the creation of a reference database for the validation of numerical codes implemented during the design phase of such vehicles. In parallel a numerical activity was carried on to compare the results and investigate further the phenomenon. The simulations were performed through a mid-fidelity VPM based code by the DAER department, named DUST. The analysis of the results pointed out the massive loss of perfomance affecting the rear rotor in tandem configuration, with the degree of disk overlapping as the main parameter. Moreover, the comparative analysis of the results certified the high performances of DUST in the simulation of the aerodynamic interaction phenomena.

Il numero crescente di vaste aree metropolitane, caratterizzate da un significativo numero di abitanti, ha portato alla nascita di un nuovo concetto di mobilità urbana: la Urban Air Mobility. Le ultime tendenze hanno spinto l’industria aeronautica verso il nuovo concetto di eVTOL, ossia electrical vertical take-off and landing. Le caratteristiche fondamentali di questo nuovo tipo di aeromobile sono propulsione elettrica, configurazione di tipo convertiplano e una finestra di lavoro caratterizzata dalla presenza di molteplici eliche, che si trovano ad operare in condizione di forte interazione. In particolare, la presenza di numerosi propeller operanti a distanza ravvicinata introduce una nuova sfida: l’investigazione dell’interazione aerodinamica rotore-rotore. Questo argomento è relativamente nuovo e questo lavoro ha lo scopo di indagare e studiare i principali fenomeni fisici coinvolti nelle maggiori configurazioni di volo. Una campagna dedicata di test in galleria del vento è stata messa a punto per studiare a fondo la configurazione con due propeller in tandem, cioè posti uno dietro l’altro. Le prestazioni in questa configurazione sono state confrontate con quelle di un’elica isolata sia dal punto di vista dei carichi generati che attraverso delle misurazioni PIV. I risultati sperimentali costituiscono il primo step per la creazione di un database di riferimento per la validazione dei codici numerici. In parallelo un’intensa attività numerica è stata realizzata per confrontare i risultati e studiare più a fondo il fenomeno. Le simulazioni sono state realizzate utilizzando un codice mid-fidelity chiamato DUST che è stato sviluppato dal dipartimento DAER del Politecnico di Milano. L’analisi dei risultati ha mostrato un’ingente perdita di performance del propeller posteriore nella configurazione tandem, con il grado di overlap tra i dischi come parametro d’influenza principale. Inoltre, il confronto tra i risultati sperimentali e quelli numerici ha testimoniato le alte prestazioni di DUST nel simulare correttamente il fenomeno di interazione aerodinamica.