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New methodologies for calculation of flight parameters on reduced scale wings models in wind tunnel

Ben Mosbah, Abdallah (2017). New methodologies for calculation of flight parameters on reduced scale wings models in wind tunnel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to improve the qualities of wind tunnel tests, and the tools used to perform aerodynamic tests on aircraft wings in the wind tunnel, new methodologies were developed and tested on rigid and flexible wings models. A flexible wing concept is consists in replacing a portion (lower and/or upper) of the skin with another flexible portion whose shape can be changed using an actuation system installed inside of the wing. The main purpose of this concept is to improve the aerodynamic performance of the aircraft, and especially to reduce the fuel consumption of the airplane. Numerical and experimental analyses were conducted to develop and test the methodologies proposed in this thesis.

To control the flow inside the test sections of the Price-Païdoussis wind tunnel of LARCASE, numerical and experimental analyses were performed. Computational fluid dynamics calculations have been made in order to obtain a database used to develop a new hybrid methodology for wind tunnel calibration. This approach allows controlling the flow in the test section of the Price-Païdoussis wind tunnel.

For the fast determination of aerodynamic parameters, new hybrid methodologies were proposed. These methodologies were used to control flight parameters by the calculation of the drag, lift and pitching moment coefficients and by the calculation of the pressure distribution around an airfoil. These aerodynamic coefficients were calculated from the known airflow conditions such as angles of attack, the mach and the Reynolds numbers.

In order to modify the shape of the wing skin, electric actuators were installed inside the wing to get the desired shape. These deformations provide optimal profiles according to different flight conditions in order to reduce the fuel consumption. A controller based on neural networks was implemented to obtain desired displacement actuators.

A metaheuristic algorithm was used in hybridization with neural networks, and support vector machine approaches and their combination was optimized, and very good results were obtained in a reduced computing time.

The validation of the obtained results has been made using numerical data obtained by the XFoil code, and also by the Fluent code. The results obtained using the méthodologies presented in this thesis have been validated with experimental data obtained using the subsonic Price-Païdoussis blow down wind tunnel.

Titre traduit

Nouvelles méthodologies de calcul des paramètres de vol sur des modèles des ailes à l'échelle réduite en soufflerie

Résumé traduit

Dans le but d'améliorer les qualités de tests en soufflerie ainsi que les outils nécessaires pour réaliser des tests aérodynamiques sur des modèles d'ailes d'avions en soufflerie, des nouvelles méthodologies ont été développées et testées sur des modèles d'ailes originales et déformables. Un concept d'aile déformable consiste à remplacer une partie (inférieure et/ou supérieure) de la peau de l'aile par une autre partie flexible dont sa forme peut être modifiée à l'aide d'un système d'actionnement installé à l'intérieur de l'aile. Le but d'utiliser ce concept est d'améliorer les performances aérodynamiques de l'avion et surtout de réduire sa consommation de carburant. Des analyses numériques et expérimentales ont été effectuées afin de développer et de tester les méthodologies proposées dans cette thèse.

Dans l'objectif de contrôler l'étalonnage de la soufflerie Price-Païdoussis de LARCASE, des analyses numériques et expérimentales ont été réalisées. Des calculs par éléments finis ont été faits pour construire une base de données permettant de développer une nouvelle méthodologie hybride d'étalonnage. Cette nouvelle approche a permis de contrôler l'écoulement d'air dans la chambre d'essais de la soufflerie Price-Païdoussis.

Pour la détermination rapide des paramètres aérodynamiques, des nouvelles méthodologies hybrides ont été proposées. Ces méthodologies ont été utilisées pour le contrôle des paramètres de vol par la détermination des coefficients de traînée et de portance, de moment de tangage ainsi que de la distribution de pression autour d'un profil d'aile d'avion. Ces coefficients aérodynamiques ont été calculés à partir des conditions d'écoulement connues comme l'angle d'attaque, le nombre de Mach et le nombre de Reynolds.

Dans le but de changer la forme de la peau de l’aile, des actionneurs électriques ont été installés à l'intérieur de l'aile pour modifier sa surface supérieure et pour avoir la forme désirée. Cette déformation permet d'obtenir les profiles optimales en fonction de différentes conditions de vol afin de réduire la consommation de carburant de l'avion. Un contrôleur basé sur des réseaux de neurones a été mis en œuvre afin d'obtenir les déplacements souhaités des actionneurs.

Un algorithme d'optimisation métaheuristique a été utilisée en hybridation avec des réseaux de neurones ainsi qu'avec une approche machine à vecteurs de support. Leur combinaison a été optimisée et de très bons résultats ont été obtenus dans un temps de calcul réduit.

La validation des résultats obtenus par la combinaison de ces techniques a été réalisée à l'aide des données numériques du code XFoil et aussi avec le logiciel de simulation numérique Fluent. Les résultats obtenus à l'aide des méthodologies présentées dans cette thèse ont été aussi validés par des essais expérimentaux dans la soufflerie subsonique Price-Païdoussis.

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 143-156.
Mots-clés libres: Souffleries aérodynamiques Modèles réduits. Circulation aérienne Modèles mathématiques. Avions Ailes Essais en soufflerie aérodynamique. Algorithmes optimaux. analyse aérodynamique, optimisation, intelligence artificielle, aile déformable, validation expérimentale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Dao, Thien-My
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 22 mars 2017 14:09
Dernière modification: 22 mars 2017 14:09
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1843

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