Mid-fidelity approach to aerodynamic and aeroacoustic performance of tandem propellers in hover

This work is part of the GARTEUR Action Group HC/AG-26 project and it presents an investigation into the aerodynamic and aeroacoustic performance of single and multi-rotor propeller configurations in hover flight condition, specifically focusing on tandem rotor setups. The study explores the influence of rotor inter-axis distance, phase angle and sense of rotation of the secondary propeller, through numerical simulations carried out using the DUST solver, developed at Politecnico di Milano, which leverages a mid-fidelity approach to model the aerodynamic interactions, and SU2-FWH, to manage the aeroacoustic analysis, based on the Ffowcs Williams-Hawkings formulation (FWH). Numerical results are complemented by a comparison with high-fidelity experimental data, based on loads, PIV and aeroacoustic measurements, that were jointly conducted by CIRA and University Cusano at CIRA, and other results coming from a variety of solvers of different degrees of fidelity. The investigation into single and tandem propeller configurations reveals that the thrust coefficient (CT) of tandem propellers is consistently lower than that of single propeller, although it increases and approaches that of the isolated configuration as the distance between propeller hubs increases. Instead, torque coefficient (CQ) shows minimal sensitivity to variations in inter-axis distance, phase angle, and rotation direction. Numerical results generally align with experimental data, especially for thrust, while showing greater deviations for torque. Additionally, de-phasing and counter-rotating propellers induce noticeable fluctuations. In aeroacoustics, numerical predictions for the first blade passage frequency (BPF) are generally accurate, with discrepancies in the direction of the rotor axis. The second BPF shows greater reductions in numerical predictions compared to experimental data, potentially due to not modelled components. Increasing inter-axis distance reduces noise production, whereas changing the phase angle or using counter-rotating configurations increases load fluctuations and therefore noise. Overall, the study highlights the complex dynamics of tandem propeller configurations, emphasizing both performance benefits and challenges for future optimization.

Questo lavoro si inserisce nel progetto GARTEUR Action Group HC/AG-26 e presenta un'indagine sulle prestazioni aerodinamiche e aeroacustiche di configurazioni a rotore singolo e multirotore in condizioni di volo in hovering, concentrandosi in particolare sulle configurazioni in tandem. Lo studio esplora l'influenza della distanza tra gli assi dei rotori, dell'angolo di fase e del senso di rotazione del rotore secondario, attraverso simulazioni numeriche effettuate con il solutore DUST, sviluppato al Politecnico di Milano, che sfrutta un approccio a media fedeltà per modellare le interazioni aerodinamiche, e SU2-FWH, per gestire l'analisi aeroacustica, basata sulla formulazione Ffowcs Williams-Hawkings (FWH). I risultati numerici sono integrati da un confronto con dati sperimentali ad alta fedeltà, basati su carichi, PIV e misure aeroacustiche, condotti congiuntamente dal CIRA e dall'Università Cusano presso il CIRA, e da altri risultati provenienti da una serie di solutori con diversi gradi di fedeltà. L'indagine sulle configurazioni a rotore singolo e in tandem rivela che il coefficiente di thrust (CT) dei rotori in tandem è sempre inferiore a quello del rotore isolato, anche se incrementa e si avvicina a quello del rotore singolo all'aumentare della distanza tra i rotori stessi. Il coefficiente di torque (CQ) mostra invece una sensibilità minima alle variazioni della distanza tra gli assi, dell'angolo di fase e del senso di rotazione. I risultati numerici sono generalmente in linea con i dati sperimentali, soprattutto per il thrust, mentre mostrano maggiori deviazioni per il torque. Inoltre, il de-phasing e la configurazione con rotori controrotanti inducono notevoli fluttuazioni. In aeroacustica, le previsioni numeriche per la prima Blade Passing Frequency (BPF) sono generalmente accurate, con discrepanze nella direzione dell'asse del rotore. La seconda BPF mostra maggiori riduzioni nelle previsioni numeriche rispetto ai dati sperimentali, potenzialmente dovute a componenti non modellati. L'aumento della distanza tra gli assi riduce la produzione di rumore, mentre la modifica dell'angolo di fase o l'utilizzo di configurazioni controrotanti aumentano le fluttuazioni di carico e di conseguenza il rumore generato. Nel complesso, lo studio evidenzia le complesse dinamiche delle configurazioni di rotori in tandem, sottolineando sia i vantaggi in termini di prestazioni che le sfide per l'ottimizzazione futura.