Multibody/vortex particle aeroelastic simulation of a cycloidal rotor

The importance of numerical models has grown in the last two decades mainly thanks to the increase in computational power. These models have become essential in the first design phases of a project, but they are even more necessary when, like in the case of this thesis, it is not possible to rely on theory or to extrapolate experimental data from similar studies. In fact, at low Reynolds number, which is the case for micro air vehicles, the aerodynamic behaviour of an aircraft may strongly change from an airfoil to another, from a velocity to another ecc., making any general guideline practically useless. Objective of this thesis is the aeroelastic analysis of small scale cyclorotors, an air vehicle concept invented at least one century ago but only recently became particularly promising. Analysis are carried out by coupling a multibody structural solver, MBDyn, with an aerodynamic solver, DUST. They have been both developed at Politecnico di Milano and communicate by a preCICE adapter. In this way, it is possible to faithfully model blades' deflections (blades that would be considered rigid by an exclusively aerodynamic solver) and the aerodynamic phenomena governing cyclorotor's behaviour, that would otherwise be excessively simplified. Coupling these two softwares allowed to work a with a faithful representation of the real models used in experiments and to run many simulations, highlighting the effect of single parameters on the whole system. Furthermore, numerical models greatly simplify the analysis of possible developments that can make a solution more efficient, removing the need to test many different configurations.

Negli ultimi due decenni, l'aumento di potenza computazionale ha favorito l'ascesa dei modelli numerici per la simulazione di sistemi fisici. Questi modelli sono importanti nelle prime fasi della realizzazione di un progetto, ma lo sono specialmente quando risulta difficile estrapolare dati sperimentali e teorici da studi analoghi. Infatti, in condizioni aerodinamiche che prevedono un basso numero di Reynolds, le performance aerodinamiche di un velivolo possono cambiare marcatamente da un profilo alare a un altro, da una velocità a un'altra. L'obbiettivo di questa tesi è l'analisi aeroelastica di un piccolo ciclorotore, un veicolo aereo inventato più di un secolo fa ma che solo recentemente ha iniziato a rappresentare una soluzione promettente. I risultati sono ottenuti accoppiando un software per l'analisi strutturale di sistemi multicorpo, MBDyn, con un software per l'analisi aerodinamica. Entrambi sono stati sviluppati al Politecnico di Milano e usano per comunicare un adattatore preCICE. In questo modo, è possibile modellare fedelmente le deformazioni delle pale (che sarebbero altrimenti considerate rigide da un software esclusivamente aerodinamico) e i fenomeni aerodinamici alla base del ciclorotore. Accoppiando questi software è stato possibile lavorare con modelli molto vicini ai prototipi usati in esperimenti e compiere diverse simulazioni con lo scopo di definire l'effetto che i singoli parametri hanno sull'intero sistema. Inoltre, questi metodi numerici permettono di semplificare il processo di ottimizzazione di questo tipo di soluzioni, rimuovendo la necessità di testare numerose configurazioni.