Numerical Investigation of the Aerodynamic Interactions between a Tip-Mounted Propeller and a Wing with deflected Flap using the Mid-Fidelity Solver DUST

Electric Vertical Takeoff and Landing (eVTOL) aircraft have great potential to revolutionize urban and regional air mobility. However, due to the complex aerodynamic interactions introduced by multi-rotor and multi-wing architectures, it can be challenging to simulate and predict their performance accurately. To address this challenge, mid-fidelity tools have emerged as an optimal trade-off between computational cost and desired accuracy, particularly in the early stages of design. The objective of this research is to investigate the capability of a vortex particle-based mid-fidelity code, specifically the DUST solver developed at Politecnico di Milano, in capturing the aerodynamic interaction and flowfield between a wingtip-mounted propeller and a wing with a 25% chord flap and a nacelle, in the context of a maneuver scenario. The wing and propeller model considered in this work was widely investigated in literature, both by experiments and high-fidelity CFD simulations, and represents a perfect benchmark case for this kind of aerodynamic study of tiltrotors and electrical distributed propulsion aircraft configurations. The present numerical activity showed the capabilities of mid-fidelity aerodynamic solver, such as DUST, to capture the aerodynamic interactional effects of the installed propeller on the wing by a direct comparison of wing pressure coefficient distributions, propeller airloads and flowfield with both experimental data and high-fidelity CFD simulations. Analyses on the upstream and downstream effects on the propeller and wing performance showed that the benefits arising from the installation of a wingtip-mounted propeller can be correctly predicted. The analyses showed that this configuration results in a significant lift and propeller performance enhancement, which was accurately captured by the DUST solver. Overall the DUST model reduced the computational effort while maintaining accuracy, with no significant errors or discrepancies introduced. The validation campaign conducted demonstrates good agreement in both the prediction of the time-dependent solutions and the time-averaged (integral) quantities, with only a slight overestimation observed for propeller thrust and a slight underestimation of the system lift coefficient.

I velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) hanno un grande potenziale e sono destinati a rivoluzionare la mobilità aerea urbana e a breve raggio. Tuttavia, a causa delle complesse interazioni aerodinamiche introdotte dalle architetture multi rotore e multi ala, risulta difficile simulare e prevedere con precisione le loro prestazioni. Per affrontare questa criticità, recentemente sono emersi numerosi metodi Mid-Fidelity, un compromesso ottimale tra costo computazionale e accuratezza desiderata, in particolare nelle prime fasi di progettazione. L’obiettivo di questa tesi è studiare la capacità del codice Mid-Fidelity a particelle vorticose sviluppato al Politecnico di Milano: DUST, di catturare l’interazione aerodinamica e il campo di flusso tra un’elica montata all’estremità di un’ala con un flap al 25% della corda e una gondola motore, nel contesto di uno scenario di manovra. I modelli di ala ed elica considerati in questo lavoro sono stati ampiamente studiati in letteratura, sia con esperimenti sia con simulazioni CFD e rappresentano un perfetto modello di riferimento per questa tipologia di studio aerodinamico. La presente attività numerica ha dimostrato le capacità di solutori aerodinamici Mid-Fidelity, come DUST, di catturare gli effetti aerodinamici di interazione tra l’elica installata sull’ala e l’ala stessa, attraverso un confronto diretto delle distribuzioni di pressione, dei carichi dell’elica e del campo di flusso con i dati sperimentali e simulazioni CFD. L’analisi degli effetti del flusso non uniforme sulle prestazioni dell’elica e dell’ala ha dimostrato che è possibile prevedere correttamente i benefici derivanti dall’installazione di un motore ad elica all’estremità alare. L’analisi ha evidenziato come questa configurazione comporti un significativo aumento della portanza e delle prestazioni dell’elica. Il modello DUST ha ridotto lo sforzo computazionale mantenendo una buona accuratezza, non sono stati introdotti errori o difformità significative. La validazione condotta dimostra un buon accordo sia nella predizione delle quantità tempo-dipendenti sia in quelle mediate nel tempo (integrali), presenta solo una lieve sovrastima per la spinta dell’elica e una leggera sottostima della portanza totale dovuta alle limitazioni modellistiche di DUST per la gondola motore.