Investigation of the Vortex ring state for side-by-side propellers in eVTOL aircraft configurations

This study investigates the vortex ring state (VRS) phenomenon in the context of eVTOL architectures, with a focus on configurations featuring two side-by-side propellers, typical of electric vertical take-off and landing vehicles. In this flight regime, the interaction between a rotor in vertical descent and its own wake leads to the formation of a vortex ring around the rotor disc, resulting in a significant loss of thrust and reduced controllability. Given the lack of comprehensive studies addressing this phenomenon in multirotor eVTOL configurations, the objective of this work is to understand how VRS is affected by aerodynamic interactions between adjacent rotors. An integrated approach combining wind tunnel experiments and numerical simulations was adopted to characterize descent conditions representative of VRS onset. During the experimental campaigns, force measurements were used to quantify the effects on thrust and torque, while Particle Image Velocimetry allowed for the visualization and analysis of vortex structures. Results showed that the side-by-side rotor configuration can partially mitigate the effects of VRS compared to the isolated rotor case. Additionally, a parametric study highlighted the influence of lateral spacing between rotors and found negligible differences between co-rotating and counter-rotating configurations. To complement the experimental analysis, exploratory numerical simulations were performed using the mid-fidelity solver DUST. Despite some computational challenges, the simulations reproduced the onset of the phenomenon in the single-rotor configuration, showing qualitative agreement with experimental observations and providing valuable insights for improving the numerical modeling approach. Overall, this work contributes to the aerodynamic qualification of multirotor eVTOL architectures by advancing the understanding of rotor-rotor interactions under VRS conditions and demonstrating the effectiveness and potential of a combined experimental-numerical approach for investigating complex flight regimes.

Questo studio analizza il fenomeno del vortex ring state (VRS) nel contesto di architetture eVTOL, focalizzandosi su configurazioni con due rotori affiancati, tipiche dei velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale. In questo regime, l'interazione tra un rotore in discesa verticale e la propria scia causa la formazione di un anello vorticoso attorno al disco rotorico, comportando una perdita di spinta e una riduzione del controllo. Data la mancanza di studi che caratterizzino esaustivamente il fenomeno nelle architetture multirotore eVTOL, questo lavoro si propone di comprendere come il VRS sia influenzato dalle interazioni aerodinamiche tra due rotori affiancati. Adottando un approccio integrato, basato su prove in galleria del vento e simulazioni numeriche, sono state caratterizzate le condizioni di discesa rappresentative del fenomeno. Durante le campagne sperimentali, le misure di forza hanno permesso la quantificazione delle ripercussioni su spinta e coppia, mentre la tecnica di Particle Image Velocimetry ha permesso la visualizzazione e caratterizzazione delle strutture vorticose. I risultati hanno evidenziato come la configurazione affiancata possa attenuare gli effetti del VRS rispetto al caso di rotore isolato. Inoltre, un'analisi parametrica ha mostrato gli esiti della variazione della distanza tra i rotori ed evidenziato le conseguenze trascurabili del passaggio da configurazione corotante a controrotante. A supporto dell'analisi sperimentale, sono state condotte simulazioni numeriche esplorative tramite il solver mid-fidelity DUST. Nonostante alcune criticità computazionali, i risultati hanno riprodotto l'insorgenza del fenomeno nella configurazione di rotore isolato, mostrando coerenza qualitativa con le osservazioni sperimentali e fornendo indicazioni utili per il miglioramento della modellazione numerica. Nel complesso, il lavoro contribuisce alla qualifica aerodinamica delle architetture multirotore eVTOL, fornendo nuove conoscenze sulle interazioni tra rotori in regime di VRS e dimostrando al contempo l'efficacia e le potenzialità di un approccio integrato numerico-sperimentale per la caratterizzazione di regimi di volo complessi.