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Contôle actif de l'écoulement autour d'une aile flexible

Labib, Michel (2008). Contôle actif de l'écoulement autour d'une aile flexible. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L'objectif principal du projet est de concevoir un contrôleur actif de la géométrie d'une aile d'avion dans le tunnel à vent pour optimiser l'écoulement laminaire, et pour bénéficier d'une réduction de la traînée. Les modifications en vol de la géométrie de l'aile permettent de maintenir autant que possible l'écoulement laminaire sur l'extrados de l'aile pendant les différents régimes de vol, conduisant aux économies de kérosène. La réduction de la traînée sur un avion s'obtient par le déplacement vers le bord de fuite de la transition entre l'écoulement laminaire et turbulent. Dans ce mémoire nous regardons le contrôle des sorties suivantes : la position du point de transition, ainsi que le contrôle de la déflection sur une aile déformable.

Le profil de référence est le profil laminaire WTEA-TEl sur lequel une peau flexible est placée entre 7% et 65% de la corde. Ce profil de référence est modifié par l'action d'un point de contrôle (situé à 36 % de la corde), où agit un actionneur, créant ainsi une déflection de -2 cm à +2 cm. Les valeurs du pourcentage de la corde, du nombre de Mach, de l'angle d'attaque et de la déflection nous permettent de calculer la pression et la position du point de transition à chaque pas de simulation. La distribution de pressions est obtenue par les capteurs optiques situés sur la peau flexible et est envoyée au contrôleur de la géométrie de l'aile. Le contrôleur doit alors déterminer la position du point de transition à partir de la distribution de pressions le long de la corde et donc il doit envoyer la commande adéquate à l'actionneur, afin que le point de transition puisse se déplacer vers le bord de fuite. Les entrées qui varient sont la déflection et l'angle d'attaque. Le point de transition varie en fonction des variations des deux entrées. Un modèle d'un actionneur à mémoire de forme (AMF) a été crée avec le logiciel Matlab/Simulink. Le défi est de réaliser un contrôle efficace avec la présence de l'AMF dans la boucle fermée, étant donné le caractère fortement nonlinéaire de celui-ci. Plusieurs contrôleurs (de type PID, proportionnels ou encore variables) sont donc nécessaires afin de contrôler l'AMF et la boucle de contrôle entière.

Trois simulations ont été menées afin de valider le contrôle. Pendant la première simulation l'angle d'attaque est gardé constant et une succession des déflections en entrées est réalisée. La deuxième simulation considère plusieurs échelons en entrée pour la déflection, tout en ajoutant une composante sinusoïdale pour l'angle d'attaque (afin de simuler un régime de croisière). La troisième simulation présente la déflection et l'angle d'attaque subissant chacun une variation sinusoïdale. Les sorties (la déflection et la position du point de transition) sont bien contrôlées et les résultats sont satisfaisants.

Titre traduit

Active flow control on an aeroelastic wing

Résumé traduit

The main objective of the global project is to develop a system for active control of wing airfoil geometry in a wind tunnel in order to allow the drag reduction. In-flight modification of aircraft wing airfoils will make possible the maintenance of laminar flow over the wing as flight regime changes and therefore will allow reductions in fuel consumption. Drag reduction on a wing can be achieved by modifications in the laminar to turbulent flow transition point position, which should move toward the trailing edge of the airfoil wing. As the transition point plays a crucial part in this project, this report focuses on the control of its position on the airfoil, as well as the deflection control on a morphing wing airfoil equipped with actuators and flexible skin.

The reference airfoil is the laminar WTEAT-TEl airfoil on which a flexible skin is located from 7% to 65% of the chord. This airfoil is modified by use of a single point control (at 36% of the chord), where is assumed that one actuator acts, thus creating a deflection from -2 cm to +2 cm. The values of the chord percentage, Mach number, angle of attack and deflection allow us to calculate the pressure and the transition point position at each step. A number of pressure coefficients values are collected by use of optical sensors and sent to the controller acting on the wing airfoil. The real time controller should then determine the transition point position only from the pressure coefficient distributions versus the airfoil chord, and send the appropriate command to the actuator so that the transition points can move towards the trailing edge. The inputs that very are the deflections and the angle of attack. As they both change, the transition point position also moves accordingly. A model of a Shape Memory Alloy (SMA) was built in a Matlab/Simulink environment. The challenge is hence to realize the control with a SMA in the closed loop, as it has a non-linear behaviour. Several controllers, such as a PID (Proportionnai Integrative Derivative) controller, a proportional controller and variables gains (which are functions of deflections) are therefore necessary to control the SMA and the entire closed loop.

Three simulations were carried out to validate the control. During the first simulation, the angle of attack was kept constant and was performed for successive deflections. The second simulation considered different steps for the deflections but added sinusoïdal components for the angles of attack. The third simulation has both the angle of attack and the deflection modeled as sinusoïdal waves. The outputs (deflection and the transition point position) were well controlled and results were found to be very good.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie, concentration personnalisée. Bibliogr : f. [67]-69.
Mots-clés libres: actif, aile, avion, controle, controleur, deflection, ecoulement, flexible, geometrie, laminaire, optimisation, point, reduction, trainee, transition, tunnel, vent
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 09 août 2010 17:44
Dernière modification: 19 déc. 2016 21:49
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/127

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