Hybrid Eulerian-Lagrangian method for rotorcraft aerodynamics: development, validation and application

Rotorcraft aerodynamic flows are highly unsteady and vortical, posing challenges for conventional Computational Fluid Dynamics (CFD) methods: Eulerian methods tend to diffuse far-field wake vortices, while Lagrangian methods may not accurately capture surface loads. This dissertation develops a hybrid Eulerian–Lagrangian simulation framework that leverages the complementary strengths of a high-fidelity Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes (URANS) solver ROtorcraft Software ITAly (ROSITA) and a Lagrangian solver (DUST). A two-way coupling algorithm exchanges aerodynamic loads and induced velocities between the Eulerian and Lagrangian domains, ensuring a consistent flow solution. The coupled solver is parallelized with a hybrid MPI-OpenMP strategy for efficiency. It is validated on three benchmark cases: a NACA0015 wing, the Caradonna–Tung rotor in hover, and the AH-1G rotor in forward flight, demonstrating accurate load and wake preservation comparable to parent codes and experimental data, while achieving significant reductions in grid resolution and computational cost. The framework is applied to aerodynamic interaction problem of two basic rotorcraft configurations. In the first study, tandem propellers are analyzed under varying phase angles and rotor directions. The rear propeller experiences substantial thrust and power losses and unsteady load oscillations due to the upstream wake. Coordinated phase control mitigates these effects by adjusting the timing to avoid Blade-Vortex Interaction (BVI), and counter-rotation further suppresses unsteady forces with a slight increase in loading losses. In the other study, an interactive mode decouples a propeller-wing interaction simulation by exchanging induced-velocity data. The results show that increasing the system’s Angle of Attack (AoA) markedly alters the interaction: propeller thrust and power rise, while the wing experiences complex spanwise load variations. Intensified tip-vortex deformation and intricate vortex–wing interactions at high AoA are captured, demonstrating the mode’s ability to resolve detailed unsteady aerodynamics. An efficient trim methodology is also developed by tightly coupling the hybrid solver with DUST using a damped Newton iteration. This approach greatly reduces computational effort: the hybrid solver can initialize from the mid-fidelity solution to cut the number of fine-solver revolutions by up to about 80%, and the damping improves convergence robustness conditionally. Trimmed thrust and power predictions remain accurate, making the method practical for rotor performance analysis. Collectively, this work delivers a validated hybrid CFD framework and analysis tools that advance rotorcraft aerodynamics. The main contributions including the novel Eulerian–Lagrangian solver, detailed tandem-propeller and propeller–wing interaction studies, and a high-efficiency trim algorithm provide new insights and practical guidance for the design and control of modern electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft with Distributed Electric Propulsion (DEP).

I flussi aerodinamici degli aeromobili a rotore sono altamente instazionari e vorticosi, ponendo sfide ai metodi convenzionali di Fluidodinamica Computazionale (CFD): i metodi Euleriani tendono a diffondere i vortici di scia nel campo lontano, mentre i metodi Lagrangiani potrebbero non catturare accuratamente i carichi superficiali. Questa tesi sviluppa un framework di simulazione ibrido Euleriano–Lagrangiano che sfrutta i punti di forza complementari di un solver URANS (Unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes) ad alta fedeltà, ROtorcraft Software ITAly (ROSITA), e di un solver Lagrangiano (DUST). Un algoritmo di accoppiamento bidirezionale scambia carichi aerodinamici e velocità indotte tra i domini Euleriano e Lagrangiano, garantendo una soluzione di flusso coerente. Il solver accoppiato è parallelizzato con una strategia ibrida MPI–OpenMP per migliorarne l’efficienza. Esso è validato su tre casi di riferimento: un'ala NACA0015, il rotore Caradonna–Tung in hovering e il rotore AH-1G in volo traslato, dimostrando una precisa conservazione dei carichi e della scia paragonabile ai codici di origine e ai dati sperimentali, ottenendo al contempo significative riduzioni nella risoluzione della griglia e nel costo computazionale. Il framework è applicato al problema dell’interazione aerodinamica di due configurazioni rotorcraft di base. Nel primo studio, eliche in configurazione tandem sono analizzate sotto vari angoli di fase e direzioni di rotazione. L’elica posteriore subisce notevoli perdite di spinta e potenza, oltre a oscillazioni instazionarie dei carichi, a causa della scia a monte. Un controllo coordinato della fase mitiga questi effetti regolando la tempistica per evitare la Blade-Vortex Interaction (BVI), mentre la contro-rotazione sopprime ulteriormente le forze instazionarie con un leggero aumento delle perdite di carico. Nell’altro studio, una modalità interattiva disaccoppia una simulazione di interazione elica–ala scambiando dati di velocità indotta. I risultati mostrano che l’aumento dell’Angolo d’Attacco (AoA) del sistema altera in modo significativo l’interazione: la spinta e la potenza dell’elica aumentano, mentre l’ala presenta complesse variazioni dei carichi lungo l’apertura. Un’intensificata deformazione dei vortici di estremità e intricate interazioni vortice–ala ad alto AoA vengono catturate, dimostrando la capacità della modalità di risolvere aerodinamiche instazionarie dettagliate. È inoltre sviluppata un’efficiente metodologia di trim, accoppiando strettamente il solver ibrido con DUST tramite un’iterazione di Newton smorzata. Questo approccio riduce notevolmente lo sforzo computazionale: il solver ibrido può inizializzare a partire dalla soluzione a media fedeltà per ridurre il numero di rivoluzioni del solver fine fino a circa l’80%, e lo smorzamento migliora la robustezza della convergenza in modo condizionale. Le previsioni della spinta e della potenza in trim rimangono accurate, rendendo il metodo pratico per l’analisi delle prestazioni dei rotori. Complessivamente, questo lavoro fornisce un framework CFD ibrido validato e strumenti di analisi che avanzano lo studio dell’aerodinamica rotorcraft. I principali contributi, tra cui il nuovo solver Euleriano–Lagrangiano, gli studi dettagliati sull’interazione di eliche in tandem e sull’interazione elica–ala, e un algoritmo di trim ad alta efficienza, offrono nuove intuizioni e indicazioni pratiche per la progettazione e il controllo dei moderni aeromobili eVTOL (electric Vertical Take-Off and Landing) con Propulsione Elettrica Distribuita (DEP).