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Morphing wing : experimental boundary layer transition determination and wing vibrations measurements and analysis

Tondji Chendjou, Yvan Wilfried (2016). Morphing wing : experimental boundary layer transition determination and wing vibrations measurements and analysis. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This Master’s thesis is written within the framework of the multidisciplinary international research project CRIAQ MDO-505. This global project consists of the design, manufacture and testing of a morphing wing box capable of changing the shape of the flexible upper skin of a wing using an actuator system installed inside the wing. This changing of the shape generates a delay in the occurrence of the laminar to turbulent transition area, which results in an improvement of the aerodynamic performances of the morphed wing.

This thesis is focused on the technologies used to gather the pressure data during the Wind tunnel tests, as well as on the post-processing methodologies used to characterize the wing airflow. The vibration measurements of the wing and their real-time graphical representation are also presented. The vibration data acquisition system is detailed, and the vibration data analysis confirms the predictions of the flutter analysis performed on the wing prior to Wind tunnel testing at the IAR-NRC.

The pressure data was collected using 32 highly-sensitive piezoelectric sensors for sensing the pressure fluctuations up to 10 KHz. These sensors were installed along two wing chords, and were further connected to a National Instrument PXI real-time acquisition system. The acquired pressure data was high-pass filtered, analyzed and visualized using Fast Fourier Transform (FFT) and Standard Deviation (SD) approaches to quantify the pressure fluctuations in the wing airflow, as these allow the detection of the laminar to turbulent transition area. Around 30% of the cases tested in the IAR-NRC wind tunnel were optimized for drag reduction by the morphing wing procedure. The obtained pressure measurements results were compared with results obtained by infrared thermography visualization, and were used to validate the numerical simulations.

Two analog accelerometers able to sense dynamic accelerations up to ±16g were installed in both the wing and the aileron boxes to obtain the vibration sensing measurements. The measured accelerations were acquired by an NI real-time acquisition system using LABVIEW software for a real-time graphical visualization. The recorded data were then analyzed and the analysis indicated that no aeroelastic phenomenon occurred on the model during the wind tunnel tests, at speeds of 50 m/s and 80m/s.

Titre traduit

Aile adaptable : détermination expérimentale de la zone de transition de la couche limite, mesure et analyse des vibrations de l'aile

Résumé traduit

Le présent mémoire de recherche est rédigé dans le contexte du projet international multidisciplinaire CRIAQ MDO-505 qui se déroule au Canada. Le but du projet est de concevoir, fabriquer et tester une aile déformable dont la peau flexible de son extrados peut changer de forme grâce au système d'actionnement installé à l'intérieur de l'aile. Ce changement de forme a pour but de retarder l'apparition de la zone de transition du régime laminaire au régime turbulent dans l'écoulement autour de l'aile, se traduisant ainsi par l'amélioration des performances aérodynamiques.

Cette recherche se concentre sur les différentes technologies utilisées pour acquérir les données de pressions pendant les tests en soufflerie ainsi que sur les différentes méthodologies de traitement des données de pressions dans le but de caractériser et d'analyser l'écoulement aérodynamique autour de l'aile. Ensuite, ce document présente les mesures de vibrations effectuées sur l'aile pendant les tests en soufflerie, et leur représentation graphique en temps réel. L'acquisition de ces données de vibrations est détaillée, ainsi que les méthodes de traitement de ces données qui confirment les prédictions des analyses numériques aéroélastiques.

Les données de pressions ont étés collectées en utilisant trente-deux capteurs de pression piézoélectriques capables de capter avec une très grande sensibilité des fluctuations de pression allant jusqu'à 10 KHz. Ces capteurs étaient disposés sur deux lignes de cordes et ils sont connectés à un système d'acquisition en temps réel National Instrument PXI. Les données collectées étaient par la suite filtrées, analysées et visualisées grâce aux algorithmes de la Transformée de Fourrier Rapide et aux algorithmes de moyenne quadratique; ceci était réalisé dans le but de quantifier les fluctuations de pressions présentes dans l'écoulement de l'air autour de l'aile. L'interprétation de ces fluctuations fut nécessaire pour la détection de la zone de transition du régime laminaire au régime turbulent. Environ 30% des conditions de vol testées en soufflerie ont révélé une réduction de trainée suite au changement de forme du profil d'aile. Les résultats obtenus grâce à l'analyse des données de pression ont été comparés aux résultats obtenus avec la technique de visualisation infra-rouge, et nous ont servi plus tard pour la validation des simulations numériques aérodynamiques préalablement effectuées.

Deux accéléromètres analogiques capables de capter des variations d'accélérations allant jusqu'à ±16g ont étés installés dans l'aile et dans l'aileron, pour obtenir les mesures de vibrations du prototype. Les accélérations mesurées par les capteurs étaient acheminés par un système d'acquisition NI et ont été traités en temps réel grâce à un programme LABVIEW, permettant la visualisation en temps réel, ainsi que la sauvegarde des données. Les données enregistrées ont été analysées pour prouver qu'il n'ait apparu aucun phénomène aéroélastique pendant les tests en soufflerie à des vitesses de vent de 50 m/s et 80 m/s.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering". Bibliographie : pages 105-110.
Mots-clés libres: Avions Ailes Essais. Pression Mesure Instruments. Souffleries aérodynamiques Écoulement Visualisation. Vibration (Aéronautique). transition, zone, aile déformable, acquisition des données, traitement des données, analyse vibratoire, thermographie infra-rouge
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2017 15:13
Dernière modification: 28 mars 2017 15:14
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1847

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