The unique flight capabilities of the helicopter make it one of the most fascinating aircraft, with critical roles in a wide variety of applications. In recent years, interest has grown towards advanced rotorcraft concepts, either to overcome the helicopter's limitations in high-speed flight, leading to the compound and tilt-rotor configurations, or to fulfil the new Urban Air Mobility (UAM) paradigm by developing multi-rotor aircraft. From an aerodynamic point of view, one of the major challenges faced by these designs is represented by the determination of the interactions between the rotors and the wake they generate. Such interactions have already been studied in the case of the helicopter, in particular concerning the topic of blade-vortex interactions (BVIs), but the different design introduces new complexities with respect to the helicopter's traditional configuration. The present work describes the research activity conducted at Politecnico di Milano to investigate the effects of the rotor-wake interactions. An experimental approach was followed, realised in two main wind-tunnel campaigns; this duality was chosen to explore different, yet related, peculiarities of the interactions. The first experimental activity concerned the study of parallel blade-vortex interaction, in particular with reference to its effect on the aerodynamic loads generated by the airfoil; a test rig composed by tandem airfoil models was developed and the behaviour of the interaction on both a static and an oscillating blade was studied through unsteady pressure measurements and particle image velocimetry (PIV) techniques. In the second wind-tunnel campaign, the aerodynamic interactions in the case of a thrust-compounded helicopter were investigated. The configuration chosen for the test model featured a five-bladed main rotor and two lateral propellers in an anti-torque arrangement, similar to typical compound aircraft. A wide range of flight conditions were tested, privileging slow forward and lateral flight in different directions, and the influence of the rotational speed of the propellers was also considered. For all these conditions, the aerodynamic performances of the rotors were measured by load cells and, comparing the results on the isolated components with those on the full configuration, the effects of the interaction were analysed. PIV measurements were also taken of the main rotor's flowfield. To complete the investigation, numerical simulations were also performed with the mid-fidelity aerodynamic solver DUST. The results of the investigations illustrate the importance of the interactional effects on the rotors' aerodynamic performances, as well as the complexity of the mechanisms which determine the observed phenomena.

L'elicottero possiede delle capacità di volo uniche, che lo rendono uno dei velivoli più affascinanti e gli permettono di ricoprire ruoli chiave in numerosi e importanti settori. Negli ultimi anni si è registrato un notevole interesse allo sviluppo di configurazioni avanzate di velivoli ad ala rotante, sia per superare le inevitabili limitazioni dell'elicottero nel raggiungere elevate velocità di volo, sia per la realizzazione del concetto di mobilità aerea urbana (UAM), che prevede l'utilizzo di macchine con rotori multipli. Il progetto di queste configurazioni presenta diverse sfide a livello ingegneristico; in particolare, dal punto di vista dell'Aerodinamica, le interazioni tra le scie generate dai rotori e i rotori stessi rappresentano uno dei problemi principali da affrontare. Nonostante queste interazioni siano state già studiate approfonditamente in passato nel caso dell'elicottero, soprattutto per quanto riguarda le cosiddette interazioni vortice-pala (BVI), le configurazioni più recenti introducono complessità ulteriori che ne complicano il comportamento. Questo lavoro descrive l'attività di ricerca condotta al Politecnico di Milano per studiare gli effetti delle interazioni aerodinamiche tra rotori e scie. Seguendo un approccio sperimentale, sono state realizzate due campagne di prova in galleria del vento; una dualità, questa, che deriva dalla scelta di esplorare diversi aspetti delle interazioni. La prima attività sperimentale consiste nello studio delle interazioni vortice-pala di tipo parallelo, con particolare riguardo verso gli effetti che possono avere sui carichi aerodinamici sviluppati da un profilo alare. Dopo aver realizzato un apposito apparato di prova, il comportamento delle interazioni è stato studiato tramite misure di pressione instazionarie e tecniche di velocimetria a immagini di particelle (PIV), sia mantenendo il modello di pala fermo, sia facendolo oscillare, condizione più realistica. Nella seconda campagna di prove in galleria del vento, invece, riguarda le interazioni aerodinamiche che si realizzano nel caso di una tipologia di elicottero con composizione di trazione (compound). La configurazione scelta per il modello di prova, tipica per un velivolo di questo tipo, è costituita da un rotore principale, a cinque pale, e due eliche installate lateralmente per fornire trazione e contrastare la coppia del rotore. Le prove svolte hanno considerato un vasto numero di condizioni di volo, concentrandosi sul volo avanzato a basse velocità e in diverse direzioni; in più, è stata studiata anche l'influenza del verso e della velocità di rotazione delle eliche. In tutti questi casi, le prestazioni in termini dei carichi aerodinamici sviluppati da rotore e eliche sono state misurate tramite celle di carico e, successivamente, gli effetti delle interazioni sono stati determinati confrontando i risultati delle misure sulle singole componenti con quelle sulla configurazione completa. Per analizzare il campo di moto della scia del rotore principale, sono state realizzate anche misure PIV. Infine, a completamento della campagna di prove, il codice aerodinamico DUST è stato impiegato per simulare numericamente gli esperimenti in galleria. I risultati di questa ricerca mostrano l'importanza degli effetti delle interazioni aerodinamiche sulle prestazioni dei rotori, evidenziando la complessità dei meccanismi che li producono.

A dual experimental investigation on rotor-wake aerodynamic interactions

Colli, Andrea
2024/2025

Abstract

The unique flight capabilities of the helicopter make it one of the most fascinating aircraft, with critical roles in a wide variety of applications. In recent years, interest has grown towards advanced rotorcraft concepts, either to overcome the helicopter's limitations in high-speed flight, leading to the compound and tilt-rotor configurations, or to fulfil the new Urban Air Mobility (UAM) paradigm by developing multi-rotor aircraft. From an aerodynamic point of view, one of the major challenges faced by these designs is represented by the determination of the interactions between the rotors and the wake they generate. Such interactions have already been studied in the case of the helicopter, in particular concerning the topic of blade-vortex interactions (BVIs), but the different design introduces new complexities with respect to the helicopter's traditional configuration. The present work describes the research activity conducted at Politecnico di Milano to investigate the effects of the rotor-wake interactions. An experimental approach was followed, realised in two main wind-tunnel campaigns; this duality was chosen to explore different, yet related, peculiarities of the interactions. The first experimental activity concerned the study of parallel blade-vortex interaction, in particular with reference to its effect on the aerodynamic loads generated by the airfoil; a test rig composed by tandem airfoil models was developed and the behaviour of the interaction on both a static and an oscillating blade was studied through unsteady pressure measurements and particle image velocimetry (PIV) techniques. In the second wind-tunnel campaign, the aerodynamic interactions in the case of a thrust-compounded helicopter were investigated. The configuration chosen for the test model featured a five-bladed main rotor and two lateral propellers in an anti-torque arrangement, similar to typical compound aircraft. A wide range of flight conditions were tested, privileging slow forward and lateral flight in different directions, and the influence of the rotational speed of the propellers was also considered. For all these conditions, the aerodynamic performances of the rotors were measured by load cells and, comparing the results on the isolated components with those on the full configuration, the effects of the interaction were analysed. PIV measurements were also taken of the main rotor's flowfield. To complete the investigation, numerical simulations were also performed with the mid-fidelity aerodynamic solver DUST. The results of the investigations illustrate the importance of the interactional effects on the rotors' aerodynamic performances, as well as the complexity of the mechanisms which determine the observed phenomena.
MASARATI, PIERANGELO
LAVAGNA, MICHÈLE ROBERTA
15-nov-2024
L'elicottero possiede delle capacità di volo uniche, che lo rendono uno dei velivoli più affascinanti e gli permettono di ricoprire ruoli chiave in numerosi e importanti settori. Negli ultimi anni si è registrato un notevole interesse allo sviluppo di configurazioni avanzate di velivoli ad ala rotante, sia per superare le inevitabili limitazioni dell'elicottero nel raggiungere elevate velocità di volo, sia per la realizzazione del concetto di mobilità aerea urbana (UAM), che prevede l'utilizzo di macchine con rotori multipli. Il progetto di queste configurazioni presenta diverse sfide a livello ingegneristico; in particolare, dal punto di vista dell'Aerodinamica, le interazioni tra le scie generate dai rotori e i rotori stessi rappresentano uno dei problemi principali da affrontare. Nonostante queste interazioni siano state già studiate approfonditamente in passato nel caso dell'elicottero, soprattutto per quanto riguarda le cosiddette interazioni vortice-pala (BVI), le configurazioni più recenti introducono complessità ulteriori che ne complicano il comportamento. Questo lavoro descrive l'attività di ricerca condotta al Politecnico di Milano per studiare gli effetti delle interazioni aerodinamiche tra rotori e scie. Seguendo un approccio sperimentale, sono state realizzate due campagne di prova in galleria del vento; una dualità, questa, che deriva dalla scelta di esplorare diversi aspetti delle interazioni. La prima attività sperimentale consiste nello studio delle interazioni vortice-pala di tipo parallelo, con particolare riguardo verso gli effetti che possono avere sui carichi aerodinamici sviluppati da un profilo alare. Dopo aver realizzato un apposito apparato di prova, il comportamento delle interazioni è stato studiato tramite misure di pressione instazionarie e tecniche di velocimetria a immagini di particelle (PIV), sia mantenendo il modello di pala fermo, sia facendolo oscillare, condizione più realistica. Nella seconda campagna di prove in galleria del vento, invece, riguarda le interazioni aerodinamiche che si realizzano nel caso di una tipologia di elicottero con composizione di trazione (compound). La configurazione scelta per il modello di prova, tipica per un velivolo di questo tipo, è costituita da un rotore principale, a cinque pale, e due eliche installate lateralmente per fornire trazione e contrastare la coppia del rotore. Le prove svolte hanno considerato un vasto numero di condizioni di volo, concentrandosi sul volo avanzato a basse velocità e in diverse direzioni; in più, è stata studiata anche l'influenza del verso e della velocità di rotazione delle eliche. In tutti questi casi, le prestazioni in termini dei carichi aerodinamici sviluppati da rotore e eliche sono state misurate tramite celle di carico e, successivamente, gli effetti delle interazioni sono stati determinati confrontando i risultati delle misure sulle singole componenti con quelle sulla configurazione completa. Per analizzare il campo di moto della scia del rotore principale, sono state realizzate anche misure PIV. Infine, a completamento della campagna di prove, il codice aerodinamico DUST è stato impiegato per simulare numericamente gli esperimenti in galleria. I risultati di questa ricerca mostrano l'importanza degli effetti delle interazioni aerodinamiche sulle prestazioni dei rotori, evidenziando la complessità dei meccanismi che li producono.
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