Experimental and Numerical Investigation of Aerodynamic Interaction between Tandem Propellers in Conversion Manoeuvre

The introduction of eVTOL (Electric Vertical Take Off and Landing) vehicles is driven by the growing market of Urban Air Mobility. The innovative eVTOL concept combines the VTOL capabilities of traditional helicopters and the cruise flight typical of fixed-wing aircrafts, together with a fully electric power supply source. The common feature of eVTOLs is a distributed electric propulsion system with a multi-propeller and multi-lifting surfaces geometry, which introduces several issues in terms of mutual aerodynamic interaction phenomena that affect vehicle performance and control capabilities. In addition, the presence of multiple propellers emphasizes the complexities typical of the conversion phase from take-off to cruise. This study investigates the aerodynamic interactions in a tandem propellers configuration during the transition manoeuvre, focusing on how the relative position and the propellers angle of attack influence the performance of the whole vehicle. The main objective is to broaden the available literature regarding eVTOL concepts, which as of today is primarily devoted to the analysis of pure cruise conditions. An experimental wind tunnel campaign was carried out to evaluate the interference effects through the comparison between the performance of an isolated propeller and the rear one in the tandem configuration, both in terms of load measurements and PIV visualizations. A numerical analysis was performed by means of the mid-fidelity solver DUST to extend the experimental database and to provide further insights on the comprehension of the interaction effects produced on the rear propeller disk. In the perspective of a preliminary design phase, this work demonstrates that particular attention must be paid to the flight regime, since the free-stream velocity heavily affects the propulsive system behaviour. As a general outcome, higher vertical distances between propellers guarantee satisfactory performance despite the presence of mutual interference phenomena. The analysis of the results proves the reliability and accuracy of Dust in the description of the complex rotor-rotor interactions.

L'introduzione dei veicoli eVTOL (Electric Vertical Take Off and Landing) è guidata dal crescente mercato della mobilità aerea urbana. L'innovativo concetto di eVTOL combina le capacità VTOL degli elicotteri tradizionali e il volo di crociera tipico dei velivoli ad ala fissa, insieme a una fonte di alimentazione completamente elettrica. La caratteristica comune degli eVTOL è un sistema di propulsione elettrica distribuita con una geometria a più eliche e superfici portanti, che introduce diverse problematiche in termini di fenomeni di interazione aerodinamica che influenzano le prestazioni e le capacità di controllo del veicolo. Inoltre, la presenza di più eliche enfatizza le complessità tipiche della fase di conversione dal decollo alla crociera. Questo studio analizza le interazioni aerodinamiche in una configurazione a eliche in tandem durante la manovra di transizione, concentrandosi su come la posizione relativa e l'angolo di attacco delle eliche influenzino le prestazioni dell'intero veicolo. L'obiettivo principale è quello di ampliare la letteratura disponibile sui concetti di eVTOL, che ad oggi è principalmente dedicata all'analisi delle condizioni di pura crociera. Una campagna sperimentale in galleria del vento è stata condotta per valutare gli effetti di interferenza attraverso il confronto tra le prestazioni di un'elica isolata e di quella posteriore nella configurazione tandem, sia in termini di misure di carico che di visualizzazioni PIV. Un'analisi numerica è stata condotta con il solutore a media fedeltà DUST per ampliare il database sperimentale e fornire ulteriori approfondimenti sugli effetti di interazione prodotti sul disco dell'elica posteriore. Nella prospettiva di una fase preliminare di progettazione, questo lavoro dimostra che è necessario prestare particolare attenzione al regime di volo, poiché la velocità del flusso libero influenza pesantemente il comportamento del sistema propulsivo. Come risultato generale, maggiori distanze verticali tra le eliche garantiscono prestazioni soddisfacenti nonostante la presenza di fenomeni di interferenza reciproca. Infine, l'analisi dei risultati dimostra l'affidabilità e l'accuratezza di Dust nella descrizione delle complesse interazioni elica-elica.