Experimental evaluation of the aerodynamic interaction of a wingtip-mounted propeller

The arising concept of Urban Air Mobility is pushing towards new solutions to enhance and transform the actual urban transportation systems: in this context eVTOLs are the leading technology that can embrace cost, time savings, noise emissions and environmental impact. However the employment of a Distributed Electric Propulsion, combined with a boom solution to offset them, brings to the forefront the dominant phenomena of wing-propeller aerodynamic interaction and, for that reason, the present work will be devoted to its experimental evaluation throughout wind tunnel tests in wingtip-mounted configuration. The investigations focused on the repercussions coming from the angle of attack, the advance ratio, the rotating direction and the propeller’s longitudinal offset on wing and propeller performances. Results confirmed the advantageous effects of an inboard-up rotating propeller on lift generation and drag reduction, while outlined the opposite sensitivity of wing and propeller performances when exposed to a non-zero angle of attack. Propeller’s longitudinal offset instead led to minor but non-negligible alterations in almost all aerodynamic coefficients, with contrasting trends between the inboard-up and outboard-up regimes. Moreover PIV measurements allowed the assessment of how the parameters affected the perturbation in the path of the propeller slipstream and the evolution of the blade tip vortex.

Il concetto emergente di Mobilità Aerea Urbana sta spingendo verso nuove soluzioni per trasformare e migliorare gli attuali sistemi di trasporto urbano: in questo contesto, gli eVTOL rappresentano la tecnologia leader in grado di abbracciare costi ridotti, risparmi di tempo, emissioni sonore e impatto ambientale. Tuttavia, l’impiego di una Propulsione Elettrica Distribuita, in combinazione ad un boom che le distanzia dall’ala, porta in primo piano il fenomeno predominante dell’interazione aerodinamica tra ala e rotore e, per tale motivo, il presente lavoro sarà dedicato alla sua valutazione sperimentale tramite test in galleria del vento nella configurazione in cui il propeller è posto all’estremità alare. Le indagini si sono concentrate sulle ripercussioni derivanti dall’angolo d’attacco, dal rapporto di avanzamento, dalla direzione di rotazione e dall’offset longitudinale del rotore sulle prestazioni dell’ala e del propeller stesso. I risultati hanno confermato gli effetti benefici di un propeller rotante internamente verso l’alto sulla generazione di portanza e sulla riduzione della resistenza, mentre hanno evidenziato l’opposta sensibilità delle prestazioni dell’ala e del propeller quando sono esposti ad un angolo d’attacco diverso da zero. L’offset longitudinale del propeller ha comportato piccole ma non trascurabili alterazioni in quasi tutti i coefficienti aerodinamici, con tendenze contrastanti tra i due regimi di rotazione. Le misurazioni PIV hanno permesso inoltre di valutare anche l’influenza dei parametri nella perturbazione della scia del propeller e sull’evoluzione dei vortici d’estremità delle pale.