CFD simulation of an e-VTOL aircraft in OpenFOAM

Vertical Take-off and Landing (VTOL) has been a topic under research in the aerospace industry for over a decade, but the market study recently shows a trend that leans towards its commercialisation. With upcoming innovations in electric vehicles and batteries, the market has extended towards electric planes as well. The challenge the industry is forced to overcome is to balance the efficiency and the affordability of air taxis. To address the growing demand, new designs are being investigated every day. One of the first and most essential processes in the development of these designs is to test their performance and credibility before they move to the prototype manufacturing stage and then into industrial testing. Guidelines on wind tunnel testing or Computational Fluid Dynamic methodologies are being established, and many companies are working towards the development of this new technology. Ascendance Flight Technologies are pioneers in this field and are working on their green eVTOL Aircraft aiming to change the face of aviation by 2030. The aim of this thesis is to initially analyse the design of the eVTOL aircraft components designed by Ascendance and later iterate on the most efficient version, thus implementing them in the new aircraft design. To achieve this, numerical simulations are performed with the open-source CFD software OpenFOAM. RANS model in conjunction with k-ω SST turbulence model was used. Mesh sensitivity analysis is implemented to determine the best size/accuracy relationship for the grid, where the CFD results are validated using MATLAB. For the analysis and validation, CFD results were considered acceptable under a 5% error margin and AoA 7^0 max. The prediction model is created using SMT Gaussian Regression methodology in Python to predict the aeroplane orientation in a 3D space at each instance in the flight envelope. Thus, the study was successfully completed with data validation, which resulted in improvement in the power efficiency and rotor design. The first draft of the new aircraft design was produced, and its trajectory was validated.

Il decollo e l'atterraggio verticale (VTOL) è stato un argomento di ricerca nell'industria aerospaziale per oltre un decennio, ma lo studio di mercato mostra di recente una tendenza che propende per la sua commercializzazione. Con le prossime innovazioni nei veicoli elettrici e nelle batterie, il mercato si è esteso anche agli aerei elettrici. La sfida che l'industria è costretta a superare è quella di bilanciare l'efficienza e l'accessibilità dei taxi aerei. Per affrontare la crescente domanda, ogni giorno si studiano nuovi design. Uno dei primi e più essenziali processi nello sviluppo di questi progetti è quello di testare le loro prestazioni e la loro credibilità prima di passare alla fase di produzione del prototipo e poi ai test industriali. Le linee guida sui test nella galleria del vento o le metodologie di Computational Fluid Dynamic sono in via di definizione, e molte aziende stanno lavorando per lo sviluppo di questa nuova tecnologia. Ascendance Flight Technologies sono pionieri in questo campo e stanno lavorando sul loro eVTOL Aircraft verde che mira a cambiare il volto dell'aviazione entro il 2030. Lo scopo di questa tesi è di analizzare inizialmente il design dei componenti dell'aereo eVTOL progettato da Ascendance e successivamente iterare la versione più efficiente, implementandola così nel nuovo design dell'aereo. Per raggiungere questo obiettivo, vengono eseguite simulazioni numeriche con il software open-source CFD OpenFOAM. È stato utilizzato il modello RANS insieme al modello di turbolenza k-ω SST. L'analisi della sensibilità della griglia è implementata per determinare il miglior rapporto dimensione/precisione per la griglia, dove i risultati CFD sono convalidati usando MATLAB. Per l'analisi e la convalida, i risultati CFD sono stati considerati accettabili sotto un margine di errore del 5% e AoA 7^0 max. Il modello di previsione è stato creato utilizzando la metodologia SMT Gaussian Regression in Python per prevedere l'orientamento del velivolo in uno spazio 3D in ogni istanza dell'inviluppo di volo. Così, lo studio è stato completato con successo con la convalida dei dati, che ha portato al miglioramento dell'efficienza della potenza e del design del rotore. La prima bozza del nuovo design del velivolo è stata prodotta e la sua traiettoria è stata convalidata.