Numerical modeling and wind tunnel test analysis of the propeller-wing aerodynamic interference

Advances in electric propulsion have paved the way for the development of new types of aircraft. Electric propulsion allows much more flexibility in the position of the propellers; it is possible to distribute the thrust in many electric motors arranged over the entire wingspan by adopting so-called distributed electric propulsion (DEP). The distribution of propulsion over the wingspan can lead to aerodynamic benefits. In order to be able to verify these benefits and quantify them, adequate tools to quickly and effectively study the interaction effects between propellers and the wing are necessary. The aim of this thesis work is to study the phenomenology of the interaction between propeller and wing and to model the interaction phenomena using both a numerical and experimental approach. The main goal is is to find a general methodology to numerically model the interaction phenomenon between propeller and wing considering a portion of the wing in DEP configuration. In order to obtain preliminary performance estimates from the point of view of CL-alpha and polar curves, numerical simulations are designed using the Vortex Lattice Method and Actuator Disk theory. Experimental wind tunnel tests want to gain further understanding of the interaction phenomenon and validating the numerical results. The main purpose of the experimental analysis is to design preliminary tests and obtain estimates of propeller-wing interaction effects. A comparison between the numerical and experimental results made it possible to identify the limitations of both approaches and to assess the quality of the methodology developed.

I progressi nella propulsione elettrica hanno aperto la strada allo sviluppo di nuove tipologie di aeromobili. La propulsione elettrica consente molta più flessibilità nella posizione delle eliche, è possibile distribuire la spinta in tanti motori elettrici disposti su tutta l’apertura alare adottando la così detta propulsione elettrica distribuita (DEP). La distribuzione di propulsione lungo l’apertura alare può portare a benefici dal punto di vista aerodinamico. Per poter verificare questi benefici e quantificarli è necessario dotarsi di strumenti adeguati a studiare in modo rapido ma efficace gli effetti di interazione che si hanno tra eliche e ala. In questo lavoro di tesi lo scopo è studiare la fenomenologia dell’interazione tra elica e superfici portanti e modellare i fenomeni di interazione sia con un approccio numerico che sperimentale. Si vuole trovare una metodologia generale per modellare numericamente il fenomeno di interazione tra elica ed ala considerando una porzione di ala in configurazione DEP. Al fine di ottenere delle stime preliminari delle prestazioni dal punto di vista delle curve CL-alfa e polari sono progettate delle simulazioni numeriche utilizzando il Vortice Lattice Method e l’Actuator Disk theory. Le prove sperimentali in galleria del vento hanno lo scopo di acquisire un'ulteriore comprensione del fenomeno di interazione e di validare i risultati numerici. Lo scopo principale dell’analisi sperimentale è quello di progettare delle prove preliminari e di ottenere delle stime degli effetti interazione tra elica ed ala. Un confronto tra i risultati numerici e sperimentali ha permesso di individuare i limiti di entrambi gli approcci e valutare la bontà della metodologia sviluppata.