A Study on the Downwash and Outwash Flow Characteristics of an eVTOL Aircraft Using the Lattice Boltzmann Method Coupled with the Actuator Line Method = Lattice Boltzmann Method와 Actuator Line Method를 결합한 eVTOL 항공기의 다운워시 및 아웃워시 유동 특성에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study introduces a computationally efficient numerical framework designed to predict the downwash and outwash flow field of electric vertical takeoff and landing (eVTOL) aircraft by coupling the lattice Boltzmann method (LBM) with the actuator line method (ALM). The proposed framework is validated against existing single-rotor and multi-rotor in ground effect experiments and equivalent Reynolds-averaged Navier-Stokes based high-order numerical simulations. During this validation process, the framework demonstrates its capability to reproduce key ground effect phenomena while reducing computational costs by a factor of up to 250 times that of conventional computational fluid dynamics approaches.
Following the validation process, the proposed framework is applied to four mission-sized eVTOL configurations sized for equivalent mission-payloads to examine the effects of aircraft geometry and rotor disk loading on the downwash and outwash hazards. While the single-rotor configuration induces a nearly axisymmetric flow structure, multi-rotor configurations generate highly directional, multi-peak outwash footprints with peak velocity magnitudes that locally exceed standard safety thresholds. Across all simulated cases, instantaneous velocities frequently and significantly exceed their time-averaged values, highlighting the importance of unsteady wake physics in evaluating aerodynamic hazards.
These results demonstrate that current vertiport regulations, which primarily rely on simple aircraft geometric scaling derived from conventional helicopters, fail to adequately account for the configuration-specific, directional, and highly unsteady flow hazards unique to eVTOL aircraft. Ultimately, the proposed LBM-ALM framework provides a physically consistent and computationally efficient foundation for establishing new vertiport safety guidelines that accurately reflect the complex aerodynamic profiles of eVTOL aircraft.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 lattice Boltzmann method (LBM)과 actuator line method (ALM)를 결합하여 전기 수직이착륙 항공기 (eVTOL)의 다운워시 및 아웃워시 유동 위험을 예측하기 위한 수치해석 프레임워크를 구축하고, 그 타당성을 검증하였다. 제안된 LBM-ALM 결합 기법은 CH-47D 헬리콥터 단일 로터 및 전기체 형상에 대한 지상효과 실험 결과와 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 기반 수치해석 결과와의 비교를 통해 검증되었으며, 주요 지상효과 현상을 성공적으로 재현하는 동시에 기존 RANS 기반 방법론 대비 최대 250배까지 계산 비용을 절감할 수 있음을 확인하였다.
검증된 프레임워크는 동일 탑재 하중 미션에 대해 설계된 네 종류의 eVTOL 형상에 적용하여 기체 형상 및 로터 디스크 하중이 다운워시 및 아웃워시 유동 형성에 미치는 영향을 분석하였다. 싱글 로터 형상의 경우 전통적인 헬리콥터와 유사한 축대칭에 가까운 근지면 유동을 보이는 반면, 멀티 로터 형상들의 경우에는 방향성을 띠는 다봉 구조의 위험 영역을 형성하여 국부적으로 기존의 안전 기준을 상회하는 유동 규모를 나타냈다. 또한 모든 형상에서 순간 최대 속도가 시간 평균 속도를 크게 상회함에 따라, 다운워시 및 아웃워시 위험도 평가에서 비정상 와류 유동 고려의 필수성을 확인하였다.
연구 결과, 헬리콥터 운용을 기준으로 작성된 단순 기하학적 스케일링 기반 버티포트 규정은 다중로터 eVTOL 항공기가 생성하는 형상 의존적, 방향성 및 비정상 특성을 지닌 유동장의 위험을 충분히 대표하지 못함을 확인하였다. 이에 따라 본 연구에서 제안한 LBM-ALM 결합 프레임워크는 추후 유동장 특성을 명시적으로 반영하는 새로운 버티포트 안전 기준 및 설계 지침을 수립하기 위한 물리적으로 충실하고 계산 효율적인 기반 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures iv
• List of Tables vi
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Motivation 1
• 1.2. Research Objectives 7
• Chapter 2. Methodology and Validation 8
• 2.1. Lattice Boltzmann Method and OpenLB 8
• 2.2. Actuator Line Method Coupled with LBM 10
• 2.3. Validation of Downwash and Outwash Predictions 17
• Chapter 3. eVTOL Downwash and Outwash Simulations 25
• 3.1. Research Design 25
• 3.2. Quiet Single Main Rotor Configuration 30
• 3.3. Side-by-Side Configuration 35
• 3.4. Quadrotor Configuration 40
• 3.5. Lift+Cruise Configuration 45
• Chapter 4. Discussion 50
• 4.1. Evaluation of Methodological Appropriateness 50
• 4.2. Limitations of Current Vertiport Regulations 52
• Chapter 5. Conclusion 54
• Bibliography 56
• Abstract in Korean 61