aerodynamic performance prediction of an eVTOL hexacopter via a coupled BEM-RANS trim methodology
| datacite.contributor.Supervisor | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| datacite.contributor.Supervisor | Βούρος, Ανδρέας | |
| datacite.contributor.Supervisor | Νικολάου, Πέτρος | |
| dc.contributor.author | Βανταράκης, Σπυρίδων | |
| dc.contributor.other | Vantarakis, Spyridon | |
| dc.date.accessioned | 2026-10-14T20:14:13Z | |
| dc.date.available | 2026-10-14T20:14:13Z | |
| dc.date.issued | 2026-10-13 | |
| dc.degree | masterThesis | |
| dc.description.abstract | An essential step in the preliminary design phase of multirotor eVTOLs is the assessment of their aerodynamic performance in forward flight, which requires knowledge of the flight conditions, that is, its trimmed state: the attitude and rotor speeds at which forces and moments balance. This state is not known in advance, as it depends on the very loads and the rotor-rotor and rotor-airframe interference that are to be assessed. This thesis presents a methodology that recovers it by coupling a blade element momentum (BEMT) model with Reynolds-averaged Navier–Stokes (RANS) simulation, for fixed-pitch multirotor vehicles and it is applied here to a hexacopter design proposed by team ELEVATE Delft for the GoAERO Prize. The BEMT model, which includes tip-loss, rotational-augmentation, post-stall and skewed-inflow corrections, is validated against wind-tunnel data for the NACA 5868-9 propeller. In the RANS solutions the rotors are represented by vbmSource, an actuator disk method, adapted from literature for Openfoam v2406. It is compared with BEMT for an isolated rotor and used to characterise rotor–body and rotor–rotor interference in cases of increasing completeness, to a simplified model of the vehicle. In the coupled procedure, BEMT solves the trim problem for the pitch angle and rotor speeds, and corrections formed from each RANS solution are fed back until the trimmed state stops changing. At 25 m/s the hexacopter converged to a forward pitch angle of about 8.4°, with per-rotor thrust corrections of a few percent. The result is the vehicle's flight condition together with a converged CFD solution at that state which provides the basis for aerodynamic evaluation and for structural, propulsion and control-system design. | |
| dc.description.translatedabstract | Ένα ουσιώδες βήμα στην προκαταρκτική σχεδίαση των πολυκοπτέρων eVTOL είναι η αξιολόγηση της αεροδυναμικής τους απόδοσης στην πτήση προς τα εμπρός, η οποία απαιτεί τη γνώση των συνθηκών πτήσης, δηλαδή της κατάστασης αντιστάθμισης (trim), δηλαδή της συμπεριφοράς και της ταχύτητας περιστροφής των στροφείων για την οποία εξισορροπούνται οι δυνάμεις και οι ροπές. Η κατάσταση αυτή δεν είναι γνωστή εκ των προτέρων, καθώς εξαρτάται από τα ίδια τα φορτία και τις αλληλεπιδράσεις στροφείου–στροφείου και στροφείου–ατράκτου που πρόκειται να αξιολογηθούν. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μια μεθοδολογία που την προσδιορίζει συζεύγνοντας ένα μοντέλο θεωρίας ορμής στοιχείου πτερυγίου (BEMT) με προσομοίωση των εξισώσεων Navier–Stokes μέσων όρων κατά Reynolds (RANS), για πολυκόπτερα με στροφεία σταθερού βήματος, και εφαρμόζεται εδώ σε ένα εξακόπτερο που πρότεινε η ομάδα ELEVATE Delft για τον διαγωνισμό GoAERO. Το μοντέλο BEMT, που περιλαμβάνει διορθώσεις απωλειών ακροπτερυγίου, περιστροφικής ενίσχυσης, συμπεριφοράς μετά την απώλεια στήριξης και λοξής εισροής, επικυρώνεται με πειραματικά δεδομένα αεροσήραγγας για την έλικα NACA 5868-9. Στις λύσεις RANS τα στροφεία αναπαρίστανται με το vbmSource, μία μέθοδο δίσκου ενεργοποίησης προσαμοσμένη από τη βιβλιογραφία για το OpenFOAM v2406. Το μοντέλο συγκρίνεται με το BEMT για μεμονωμένο στροφείο και χρησιμοποιείται για τον χαρακτηρισμό της αλληλεπίδρασης στροφείου–ατράκτου και στροφείου–στροφείου σε περιπτώσεις αυξανόμενης πληρότητας, έως ενός απλοποιημένου μοντέλου του οχήματος. Στη συζευγμένη διαδικασία, το BEMT επιλύει το πρόβλημα αντιστάθμισης ως προς τη γωνία πρόνευσης και τις ταχύτητες των στροφείων, και οι διορθώσεις που προκύπτουν από κάθε λύση RANS επιστρέφονται στον βρόγχο έως ότου η κατάσταση αντιστάθμισης σταθεροποιηθεί. Στα 25 m/s το εξακόπτερο συνέκλινε σε γωνία πρόνευσης προς τα εμπρός περίπου 8,4°, με μικρές διορθώσεις ώσης ανά στροφείο. Το αποτέλεσμα είναι οι συνθήκες πτήσης του οχήματος μαζί με μια συγκλίνουσα λύση CFD στην κατάσταση αυτή, η οποία παρέχει τη βάση για την αεροδυναμική αξιολόγηση και για τη σχεδίαση της δομής, της πρόωσης και του συστήματος ελέγχου. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/33145 | |
| dc.language.iso | en | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ | |
| dc.subject | eVTOL design | |
| dc.subject | Blade element momentum theory | |
| dc.subject | RANS | |
| dc.subject | Actuator disk | |
| dc.subject | Trim | |
| dc.subject.alternative | Σχεδιασμός eVTOL | |
| dc.subject.alternative | Θεωρία ορμής στοιχείου πτερυγίου | |
| dc.subject.alternative | Δίσκος ενεργοποίησης | |
| dc.subject.alternative | Αντιστάθμιση | |
| dc.title | aerodynamic performance prediction of an eVTOL hexacopter via a coupled BEM-RANS trim methodology | |
| dc.title.alternative | Πρόβλεψη αεροδυναμικής απόδοσης εξακόπτερου eVTOL μέσω συζευγμένης μεθοδολογίας αντιστάθμισης BEM-RANS |