Towards the adoption of a Vortex Step Method for the aerodynamic evaluations in fixed-wing AWESs flight simulators

This thesis aims at studying the aerodynamics of a rigid wing system for Airborne Wind Energy application, by developing analytical engineering models of low and mid-fidelity aerodynamics. A low-fidelity aerodynamic model is essential during the preliminary and conceptual design of an Airborne Wind Energy System (AWES). The model can support the analysis of local aerodynamic phenomena and can be exploited with different aircraft configurations due to its versatility. It is a particular version of the Vortex Step Method (VSM), in which a five-filament horseshoe vortex is used and includes non-linearity through interpolating the airfoil polars. The implementation logic of the model is presented shortly after the theory behind it, followed by validation. The latter is based on a build-up approach, starting with the single elliptic wing until the addition of the horizontal tail. The results are obtained from varying important parameters, whose modification is necessary during the conceptual design of AWEs. The Tornado Vortex lattice Method (VLM) is introduced and tested inside an existing simulation framework in the following part of the thesis. To conclude the implementation, the VSM and VLM are compared, showing good behaviour of the VSM both from a numerical result and a computational time point of view. Finally, the vertical tail is implemented; once the tail is complete, control surfaces are also introduced without realistically designing them but by introducing a lift coefficient variation in the airfoil polars interpolation. Finally, the kite's trim on a circular trajectory is analysed. The trim condition's physics and ruggedness are verified by varying specific parameters that affect the state variables, confirming the aerodynamic method's effectiveness. Moreover, the trim has been tested with a simplified tether model and a more complex one extracted from an existing simulator (Delft MegAWEs), showing good behaviour in both cases. The results obtained with the VSM throughout the entire thesis show the potentiality of this method to estimate the aerodynamic characteristics of fixed-wing AWEs and the possibilities of exploiting the model for the conceptual design of these systems.

La tesi si propone di studiare l'aerodinamica degli alianti rigidi utilizzati per l'estrazione di energia eolica ad alta quota, sviluppando modelli matematici ingegneristici di aerodinamica a bassa e media fedeltà. Disporre di un modello a bassa fedeltà è essenziale durante la progettazione preliminare e concettuale di questi sistemi. Esso può essere utile per studiare i fenomeni aerodinamici locali e per analizzare diverse configurazioni. Il modello è un Vortex Step Method (VSM), in cui viene utilizzato un vortice a ferro di cavallo a cinque filamenti e viene inclusa la non linearità attraverso l'interpolazione delle polari dei profili aerodinamici. La logica di implementazione del modulo viene presentata subito dopo la teoria che ne è alla base, seguita da una validazione. Quest'ultima si basa su un approccio incrementale, partendo dalla singola ala ellittica fino all'introduzione della coda orizzontale. Il metodo è stato testato variando parametri importanti, la cui modifica è necessaria durante il progetto concettuale degli AWEs. Nel proseguo della tesi, il Metodo Vortex Lattice (VLM), implementato in Tornado, viene introdotto e testato all'interno di un framework di simulazione già esistente. Per concludere l'implementazione del VSM, esso viene confrontato con il VLM, mostrando un buon comportamento sia dal punto di vista della corrispondenza numerica che da quello computazionale. Infine, viene introdotta la coda verticale e le superfici di controllo, senza però progettarle fisicamente, ma introducendo una variazione di coefficiente di portanza nell'interpolazione delle polari dei profili. Infine, viene analizzato il trimmaggio dell'aliante su una traiettoria circolare. La fisica e la robustezza della condizione di trim vengono verificate variando specifici parametri che influenzano le variabili di stato, confermando l'efficacia del metodo aerodinamico, Inoltre, il trimmaggio è stato testato con un modello di cavo semplificato e con uno più complesso, estratto da un simulatore esistente e mostrando un buon comportamento in entrambi i casi. I risultati ottenuti con il VSM durante la tesi mostrano le potenzialità di questo metodo nello stimare le caratteristiche aerodinamiche di un velivolo e le possibilità di sfruttare il modello per la progettazione concettuale di questi sistemi.