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Validation of morphine wing methodologies on an unmanned aerial system and a wind tunnel technology demonstrator

Sugar Gabor, Oliviu (2015). Validation of morphine wing methodologies on an unmanned aerial system and a wind tunnel technology demonstrator. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

To increase the aerodynamic efficiency of aircraft, in order to reduce the fuel consumption, a novel morphing wing concept has been developed. It consists in replacing a part of the wing upper and lower surfaces with a flexible skin whose shape can be modified using an actuation system placed inside the wing structure. Numerical studies in two and three dimensions were performed in order to determine the gains the morphing system achieves for the case of an Unmanned Aerial System and for a morphing technology demonstrator based on the wing tip of a transport aircraft.

To obtain the optimal wing skin shapes in function of the flight condition, different global optimization algorithms were implemented, such as the Genetic Algorithm and the Artificial Bee Colony Algorithm. To reduce calculation times, a hybrid method was created by coupling the population-based algorithm with a fast, gradient-based local search method. Validations were performed with commercial state-of-the-art optimization tools and demonstrated the efficiency of the proposed methods.

For accurately determining the aerodynamic characteristics of the morphing wing, two new methods were developed, a nonlinear lifting line method and a nonlinear vortex lattice method. Both use strip analysis of the span-wise wing section to account for the airfoil shape modifications induced by the flexible skin, and can provide accurate results for the wing drag coefficient. The methods do not require the generation of a complex mesh around the wing and are suitable for coupling with optimization algorithms due to the computational time several orders of magnitude smaller than traditional three-dimensional Computational Fluid Dynamics methods.

Two-dimensional and three-dimensional optimizations of the Unmanned Aerial System wing equipped with the morphing skin were performed, with the objective of improving its performances for an extended range of flight conditions. The chordwise positions of the internal actuators, the spanwise number of actuation stations as well as the displacement limits were established. The performance improvements obtained and the limitations of the morphing wing concept were studied. To verify the optimization results, high-fidelity Computational Fluid Dynamics simulations were also performed, giving very accurate indications of the obtained gains.

For the morphing model based on an aircraft wing tip, the skin shapes were optimized in order to control laminar flow on the upper surface. An automated structured mesh generation procedure was developed and implemented. To accurately capture the shape of the skin, a precision scanning procedure was done and its results were included in the numerical model. High-fidelity simulations were performed to determine the upper surface transition region and the numerical results were validated using experimental wind tunnel data.

Titre traduit

Validation des méthodologies pour les ailes déformables sur un système autonome de vol et sur un démonstrateur technologique pur des essais en soufflerie

Résumé traduit

Dans le but d’augmenter l'efficacité aérodynamique des avions, afin de réduire la consommation de carburant, un nouveau concept d'aile déformable a été développé. Le système remplace une partie des surfaces supérieures et inférieures de l'aile avec une peau flexible dont sa forme peut être modifiée en utilisant un système d'actionnement placé à l'intérieur de la structure de l'aile. Des études numériques en deux et trois dimensions ont été effectuées afin de déterminer les gains du système de déformation pour un système autonome de vol, et pour un modèle déformable basé sur le bout de l’aile d’un avion de transport.

Dans le but d’obtenir les formes optimales de la peau de l'aile en fonction des conditions de vol, différents algorithmes d'optimisation globale ont été mises en oeuvre, telles que l'Algorithme Génétique et la Algorithme de la Colonie des Abeilles Artificielles. Pour réduire les temps de calcul, une méthode hybride a été créée en couplant l'algorithme basé sur la population avec une méthode de recherche locale basée sur l’évaluation du gradient. Les validations des résultats obtenus numériquement ont été effectuées avec des outils commerciaux d’optimisation et ont démontré l'efficacité des méthodes proposées.

Pour déterminer avec précision les caractéristiques aérodynamiques de l'aile déformable, deux nouvelles méthodes ont été élaborées, une méthode non-linéaire de ligne portante et une méthode non-linéaire de réseaux des tourbillons. Les deux utilisent l'analyse des sections dans l'envergure de l’aile pour tenir compte des modifications de formes aérodynamiques induites par la peau flexible, et peuvent fournir des résultats précis pour le coefficient de traînée de l'aile. Ces méthodes ne nécessitent pas la génération d'un maillage complexe autour de l'aile et sont adaptées pour leur couplage avec des algorithmes d'optimisation en raison du temps de calcul qui est beaucoup plus petit que le temps de calculs des méthodes traditionnelles de la dynamique computationnelle des fluides.

Des optimisations en deux et en trois dimensions de l'aile du système autonome de vol équipé avec la peau déformable ont été réalisées, avec l'objectif d'améliorer ses performances aérodynamiques pour une gamme large de ses conditions de vol. Les positions dans le sens de la corde des actionneurs internes, le nombre de stations d'actionnement dans le sens de l'envergure ainsi que les limites de déplacement de ces actionneurs ont été établies. Les améliorations de performances obtenues et les limites du concept de l'aile de déformable ont été étudiées. Pour vérifier les résultats de l'optimisation, de simulations de haute-fidélité en utilisant des logiciels connus en dynamique computationnelle des fluides ont également été réalisées, donnant des indications très précises sur les gains obtenus.

Pour le modèle déformable basé sur le bout de l'aile d'un avion de transport, les formes de la peau ont été optimisées afin de contrôler l'écoulement laminaire sur sa surface supérieure. Une procédure automatisée de génération de maillage structuré a été développé et mise en oeuvre. Pour déterminer avec précision la forme de la peau, une procédure de scanning de précision a été faite et ses résultats ont été inclus dans le modèle numérique. Des simulations haute-fidélité ont été effectuées afin de déterminer la région de transition sur la surface supérieure et ensuite les résultats numériques ont été validés en utilisant des données expérimentales obtenues en soufflerie.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 275-288.
Mots-clés libres: Drones Aérodynamique Modèles mathématiques. Avions Ailes Aérodynamique Modèles mathématiques. Optimisation mathématique. Algorithmes génétiques. Dynamique des fluides numérique. Essais en soufflerie aérodynamique. abeille, aile, artificiel, colonie, déformable, optimisation aérodynamique, ligne portante non-linéaire, réseaux des tourbillons non-linéaire, dynamique computationnelle des fluides, validation expérimentale, système autonome de vol
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 25 janv. 2016 20:51
Dernière modification: 10 déc. 2016 17:03
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1614

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