Aerodynamic analysis of a tilt-rotor in vortex-ring-state through vortex particle method solver

The present work is a collection of fluid dynamics simulations related to the Vortex Ring State, performed via Vortex Particle Method, a Lagrangian mid fidelity approach, compu tationally efficient in studying particular aeronautical configurations such propellers and rotors in multiple configuration and their interaction with the rest of the aircraft. Vortex ring State is a dangerous condition involving rotors during high descent rate approaches when the forward speed component is limited. At the beginning a summary on the phe nomenology of the VRS is reported. Later is presented a description of the numerical tool used VPM and its implementation through DUST, open source code developed at Po litecnico di Milano in cooperation with Airbus A3. A study upon effects of the divergence f iltering method’s coefficient is then proposed with attention to the issue of the numerical instability of the most recent version of the viscosity model implemented in DUST. At the end simulations are performed on the most simple tilt-rotor model in VRS: two isolated rotors are fixed and invested by an upward relative air stream. Different angles of descent, effect of the staggering of the rotor blades and mainly effect of an angle of bank of the tilt-rotor model are investigated.

Il presente lavoro è una raccolta di simulazioni fluidodinamiche che riguardano lo stato di anello vorticoso (VRS), eseguite per mezzo del metodo a particelle vorticose(VPM), un metodo lagrangiano a media fedeltà, computazionalmente efficiente nello studio di particolari configurazioni aereonautiche, quali eliche e rotori in configurazioni multiple e la loro interazione con il resto del velivolo. Lo stato di anello vorticoso è una pericolosa condizione che caratterizza i rotori durante alti ratei di discesa quando la compomnente di velocità di avanzamento è limitata. All’inizio un riassunto sulla fenomenologia del VRS è riportato. In seguto è presentata una descrizione dello strumento numerico usato VPM e della sua implementazione via DUST, codice open-source sviluppato al Politecnico di Milano in collaborazione con Airbus A3. Uno studio sul coefficiente del metodo di filtro della divergenza (Divergence filtering Method) è poi proposto con attenzione al problema della instabilità numerica del modello di viscosità iù recente implementato in DUST. Alla f ine le simulazioni sono eseguite sul modello più semplice di convertiplano in VRS: due rotori isolati sono fissi e sono invetiti da un flusso d’aria relativo verso l’alto. Differenti angoli di discesa, l’effetto di sfalsare le pale dei rotori e, sopratutto, l’effetto di un angolo di rollio del convertiplano sono investigati.