Numerical Investigation of the Vortex Ring State for an eVTOL propeller using the mid-fidelity aerodynamic solver DUST

To comply with upcoming environmental regulations in metropolitan areas and meet the growing demand for new transportation solutions, aerospace companies are shifting their focus from traditional aircraft to innovative aerial vehicle designs. Most of these new vehicles are rotorcraft and fall under the acronym eVTOL, which stands for electric Vertical TakeOff and Landing. Depending on the descent rate, eVTOLs may enter various aerodynamic states, one of particular concern due to its hazardous nature: the Vortex Ring State (VRS). This phenomenon, common to all rotorcraft encountering airflow opposing the rotor-induced flow, is marked by the formation of a vortex ring around the rotors, resulting in thrust loss and intense vibrations. While this condition has been widely investigated for standard helicopters, it remains relatively unexplored in the context of eVTOLs. This thesis aims to understand the physics of VRS in the case of the Archer Maker tilt-rotor propeller, building on experimental work previously conducted at Politecnico di Milano by adding a numerical investigation using the mid-fidelity solver DUST. The propeller's performance is assessed by monitoring thrust and torque evolution under various descent conditions, while the rotor flow during descent, particularly in VRS conditions, is analyzed through 2D and 3D wake visualizations. All results from this study are compared with experimental results to validate the mid-fidelity approach in such complex conditions. As in the experiment, the numerical results indicate a performance loss and the formation of a vortex ring within a limited range of descent ratios. The unsteady nature of VRS is evident in both load evolution and the velocity field, and various aspects of this unsteadiness are thoroughly assessed, including detailed analyses of vortex wandering and expansion across the revolutions.

Con l'obiettivo di rispettare le future normative ambientali nelle aree metropolitane e di rispondere alla crescente domanda di soluzioni di trasporto innovative, le aziende del settore aerospaziale sono sempre più interessate allo sviluppo di nuovi concetti aeronautiche. La maggior parte di questi nuovi veicoli sono aeromobili a ala rotante, appartenenti alla categoria degli eVTOL, un acronimo inglese per "electric Vertical Take-Off and Landing", ovvero velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale. In base alla velocità di discesa, gli eVTOL possono entrare in diverse condizioni aerodinamiche; una di queste, chiamata Vortex Ring State (VRS) o stato dell'anello di vortice, può risultare pericolosa. Questo fenomeno, comune a tutti i velivoli a ala rotante, si verifica quando il rotore è investito da un flusso contrario a quello da esso generato, causando una significativa perdita di portanza e forti vibrazioni. Questa condizione è stata ampiamente studiata per gli elicotteri, ma rimane ancora relativamente inesplorata per gli eVTOL. La presente ricerca è stata avviata con l'obiettivo di comprendere la fisica del VRS nel caso dell'elica dell'Archer Maker e integra il lavoro sperimentale precedentemente condotto al Politecnico di Milano con uno studio numerico usando il solutore aerodinamico a media fedeltà DUST. Le prestazioni del rotore sono state valutate analizzando i carichi (spinta e coppia) in diverse condizioni di volo, e sono stati studiati i campi di moto attorno al rotore durante la discesa, con particolare attenzione al VRS. Tutti i risultati di questo studio sono stati confrontati con quelli sperimentali per validare l'approccio a media fedeltà in condizioni aerodinamiche complesse. Analogamente all’esperimento, i risultati numerici confermano una perdita di prestazioni e la formazione di un anello di vortice in un certo intervallo di ratei di discesa. La natura instabile del VRS è stata evidenziata attraverso l’analisi temporale dei carichi e dei campi di velocità; altri aspetti delle instabilità, come lo spostamento e l'espansione dell'anello di vortice durante la rotazione, sono stati inoltre valutati.