Enhancements of a mid-fidelity aerodynamic solver for Vortex Rings analysis

The Vortex Ring State (VRS) is a potentially hazardous aerodynamic condition that can occur during rotorcraft flight while performing specific maneuvers or in particular flight conditions typically involving a steep aircraft descent. The recent emergence of tiltrotors and multi-rotor aircraft, characterized by a greater disc loading – to which the envelope of the VRS appears to be strictly linked – together with the high complexity of the aerodynamic phenomenon itself, resulted in the current need for a better understanding of the truthfulness of numerical models used to predict and analyze this condition. In the present research, the mid-fidelity open-source aerodynamic software DUST, developed by Politecnico di Milano, was employed in an attempt to perform numerical simulations exploiting the Vortex Particle Method (VPM) to model the free vorticity in rotor wakes. Two different rotor geometries were modeled and employed in the various tests performed throughout the thesis. A conventional blade geometry characterizes the former, while the latter consists of a tiltrotor-inspired configuration based on the Bell XV-15 proprotor. A preliminary assessment of DUST capabilities in capturing the VRS highlighted some limitations of the numerical tool. Hence, the software was enhanced by adjusting some of the existing numerical schemes and by the novel implementation of recent advances found in literature, most notably the reformulated Vortex Particle Method (rVPM). The new DUST v0.9.0 was extensively verified on well-recognized case studies on the self-propulsion, fusion, and leapfrogging of toroidal vortex rings at the base of the phenomenology involved in the VRS. Eventually, the software was once again employed for the modeling of rotor wakes on a set of conditions ranging from hover to different VRS approaches, providing additional insights on the nature of the phenomenon and, mainly, highlighting both the enhanced capabilities of the aerodynamic tool and its persisting shortcomings encountered when predicting such complex flow patterns.

Il Vortex Ring State (VRS) è una condizione aerodinamica potenzialmente pericolosa che può verificarsi durante l’esecuzione di manovre specifiche o in particolari condizioni di volo che coinvolgono tipicamente una discesa ripida di velivoli ad ala rotante. La recente comparsa di convertiplani e multirotori, spesso caratterizzati da un maggior carico sul disco - al quale l’insorgenza del VRS sembra essere strettamente connessa - insieme all’elevata complessità del fenomeno aerodinamico in sé, richiede una maggiore comprensione dei modelli numerici utilizzati per prevedere e analizzare questa condizione. In questa ricerca, si è utilizzato il software aerodinamico open-source a media fedeltà DUST, sviluppato dal Politecnico di Milano, al fine di modellare l’evoluzione della scia a valle di un rotore sfruttando un metodo a particelle vorticose (VPM). Due diverse geometrie di rotore sono state impiegate nei vari test svolti nel corso della tesi: la prima basata su una geometria di pala convenzionale, la seconda ispirata al rotore del convertiplano Bell XV-15. Attraverso una serie di simulazioni preliminari, volte a valutare le capacità di DUST nel rappresentare il fenomeno del VRS, sono state evidenziate alcune limitazioni del tool numerico. Il software è stato quindi migliorato mediante la correzione di alcuni schemi numerici già presenti e l’implementazione di recenti sviluppi sui metodi a particelle proposti in letteratura, tra i quali l’approccio VPM riformulato. La nuova versione v0.9.0 di DUST è stata inizialmente validata su casi studio riguardanti la traslazione, fusione e interazione di anelli vorticosi, alla base della fenomenologia coinvolta nel VRS. Infine, DUST è stato nuovamente impiegato per la modellazione aerodinamica delle scie generate da rotori in condizioni che spaziano dall’hover a diversi approcci al VRS, fornendo ulteriori indicazioni sulla natura del fenomeno e, in particolare, evidenziando sia le migliorie apportate al tool aerodinamico, sia le limitazioni ancora presenti nella modellazione di campi di moto di tale complessità.