Numerical investigation of the aerodynamic interaction between a tip-mounted propeller and a wing in airplane mode

VTOLs are the product of the efforts made to combine the advantages of vertical takeoff and landing with the high speed cruise and range of a fixed-wing aircraft. The integration of the aforementioned advantages with electric or hybrid propulsion gives rise to the concept of e-VTOL (electric Vertical Takeoff and Landing), an innovative type of aircraft that offers remarkable prospects to transform urban and regional air transportation. Nevertheless, accurately simulating and predicting their performance can be challenging due to the sophisticated aerodynamic interactions generated by multi-rotor and multi-wing designs. To tackle this challenge, mid-fidelity tools have emerged as a valid option, especially during the initial stages of design. This thesis aims to explore the capabilities of a vortex particle-based mid-fidelity code, called DUST, in effectively capturing the aerodynamic interactions and flow patterns between a tip-mounted propeller and the wing in airplane mode. The wing and propeller geometry analyzed in this study have been constructed to reproduce the model employed during the experimental campaign carried out in the wind tunnel facility of Politecnico di Milano by Menini Luca. The comparison with experimental data has highlighted the ability of DUST to capture the effects of aerodynamic interaction between the wing and the installed propeller. The analysis of aero-loads, pressure coefficients, and flow fields has demonstrated the competence of the numerical code in detecting the positive and negative effects resulting from the different rotation directions of the blades at various angles of attack. Instantaneous flow fields have shown qualitative agreement, albeit with an underestimation of gradients and vortex core intensity. In summary, DUST can be considered a favourable compromise between computational efficiency and good accuracy, without introducing significant errors.

I VTOLs nascono dagli sforzi atti a combinare i vantaggi del decollo verticale con l'alto range e velocità di crociera di un aircraft ad ala fissa. L'unione dei vantaggi appena citati con la propulsione elettrica od ibrida danno luce al concetto di e-VTOL (electric Vertical Takeoff and Landing), un innovativo tipo di aircraft che possiede la prospettiva di trasformare la mobilità aerea urbana e regionale. Ciononostante, predire in maniera accurata la loro performance può essere complicato a causa delle complesse interazioni aerodinamiche dovute alla presenza di più rotori e superfici portanti. Per affrontare questa sfida, i codici a media fedeltà rappresentano una valida alternativa, in particolar modo durante le prime fasi di progettazione. Questa tesi ha l'obiettivo di esplorare le capacità di un codice basato su particelle vorticose, chiamato DUST, nel catturare in maniera efficace le caratteristiche del flusso e le interazioni dinamiche tra un propeller montato all'estremità alare e l'ala, in configurazione di crociera. La geometria del propeller e dell'ala analizzate in questo studio sono state costruite al fine di riprodurre quelle utilizzate durante la campagna sperimentale portata avanti nella galleria del vento del Politecnico di Milano da Menini Luca. Il confronto con i dati sperimentali ha messo in evidenza l'abilità di DUST nel catturare gli effetti dell'interazione aerodinamica del propeller installato sull'ala. L'analisi dei carichi aerodinamici, dei coefficienti di pressione e dei campi di moto ha dimostrato la competenza del codice numerico nel rilevare gli effetti positivi e negativi derivanti dal diverso verso di rotazione delle pale a vari angoli di incidenza. I campi di moto istantanei hanno mostrato un accordo quantitativo, evidenziando tuttavia una sottostima dei gradienti e dell'intensità nel nucleo dei vortici. In conclusione, DUST può essere considerato un valido compromesso tra l'efficienza computazionale e una buona accuratezza, non introducendo errori significativi.