Numerical and theoretical methods for the study of paper aeroplanes aerodynamics

This thesis investigates the aerodynamics of paper aeroplanes using both numerical and analytical methods, with the goal of demonstrating the feasibility of a systematic approach to analyse their performance. Drawing inspiration from the Red Bull Paper Wings competition, the study examines the aerodynamic characteristics of these small aircraft. Improving the understanding of paper plane aerodynamics, which is similar to that of Micro Air Vehicles (MAVs), could significantly contribute to the development of small-scale aircraft. Hypotheses based on materials and construction methods were formed to limit the geometries and structures considered, defining the core of the aerodynamic problem. Three models representing different design strategies were selected and reproduced in CAD. CFD RANS simulations using SU2, an open-source software, were conducted to analyse airflow around the aircraft and determine key flight parameters. Two-dimensional CFD simulations assessed the performances of aerofoils, with a focus on the impact of folds. These findings were compared with existing literature on low Reynolds number flows. Three-dimensional CFD simulations further revealed how geometric configurations influence flight performance, particularly vortex formations at the leading and side edges. Aerodynamic performance was also compared with published data. Additionally, vortex lattice methods and analytical approaches related to low aspect ratio and delta wings were employed, showing reasonable correlation with the CFD findings. Despite the promising outcomes obtained through the use of these numerical and analytical methods, significant challenges remain to characterise the aerodynamics of paper aeroplanes. Key issues include a lack of experimental data for paper plane wing geometries and limitations in current turbulence models for low Reynolds numbers, highlighting the need for further research and advanced methods.

Questa tesi esplora l'aerodinamica degli aeroplanini di carta utilizzando sia metodi numerici che analitici, con l'obiettivo di dimostrare la fattibilità di un approccio sistematico per analizzarne le prestazioni. Ispirato dalla competizione Red Bull Paper Wings, lo studio esamina le caratteristiche aerodinamiche di questi piccoli velivoli. Migliorare la comprensione dell'aerodinamica degli aeroplanini di carta, analoga a quella dei Micro Aero Veicoli (MAV), potrebbe contribuire notevolmente allo sviluppo di velivoli di piccole dimensioni. Sono state formulate ipotesi basate su materiali e metodi di costruzione per limitare il numero di geometrie e configurazioni analizzate, definendo così il nucleo del problema aerodinamico. Sono stati selezionati e riprodotti in CAD tre modelli rappresentativi di diverse strategie progettuali, sui quali sono state eseguite simulazioni CFD RANS utilizzando SU2, un software open-source, per analizzare gli aspettti chiave del flusso attorno agli aeroplanini. Le prestazioni dei profili aerodinamici sono state valutate attraverso simulazioni CFD bidimensionali, focalizzandosi sull'impatto delle pieghe. I risultati sono stati confrontati con la letteratura esistente sui flussi a basso numero di Reynolds. Le simulazioni CFD tridimensionali hanno rivelato come le configurazioni geometriche influenzino le prestazioni di volo, in particolare la formazione di vortici ai bordi di attacco e laterali. Anche in questo caso, le prestazioni aerodinamiche sono state confrontate con dati pubblicati. Infine, sono stati utilizzati metodi a nastro di vortici e approcci analitici relativi ad ali a basso allungamento ed ali a delta, i quali hanno dimostrando una correlazione ragionevole con i risultati delle simulazioni CFD. Nonostante i promettenti esiti ottenuti attraverso l'utilizzo dei metodi numerici e analitici precedentemente descritti, rimangono molte sfide nella caratterizzazione aerodinamica degli aeroplanini di carta. Le principali problematiche includono la mancanza di dati sperimentali per geometrie quali le ali degli aeroplanini e le limitazioni degli attuali modelli di turbolenza per bassi numeri di Reynolds, evidenziando la necessità di ulteriori studi e sviluppo di metodi avanzati.