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Aerodynamic improvement methods for a medium-altitude long-endurance UAV wing

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Aubeelack, Hema (2017). Aerodynamic improvement methods for a medium-altitude long-endurance UAV wing. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technolobie supérieure.

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Résumé

Aerodynamic studies are critical in the development of aircraft and aircraft technology. To this end, a study of three means for improving the aerodynamic performance using range and endurance metrics is presented in this thesis to guide future design iterations of a mediumaltitude long-endurance tactical unmanned aerial vehicle, the Hydra Technologies S45 Bàalam. The results presented are obtained using computational fluid dynamics simulations and are therefore of high fidelity. Surrogate-based modeling using Gaussian processes is used to reduce the number of computationally-intensive simulations required in the optimizations performed. A Bayesian efficient global optimization algorithm using expected improvement is used in the two optimization series.

The first set of results establishes the baseline performance of the wing and assesses the impact of an optionally-installed upswept blended winglet on the development of forces on the wing. Results show that the winglet consistently improves the wing aerodynamics. The spanwise distribution of forces shows that the presence of the winglet introduces a component of force in the direction of thrust owing to the curved shape and flow field, thus reducing drag at the wing tip.

The second set of results presents an optimization study on global wing parameters. Three planform parameters, the aspect ratio, taper ratio, and sweep angle, as well as the out-of-plane geometric twist angle, are the design variables. Results show that possible improvements are modest at best unless the aspect ratio is increased because there are no significant design levers to increase the lift without causing a greater increase in the drag. Wing twist is identified to be a parameter useful in manipulating the angle of attack at which the maximum lift-to-drag ratio occurs.

The third set of results focuses on the aerodynamic enhancements achievable through active morphing of the flexible upper surface of the wing in flight using actuated rods. Three amplitudes of displacement of the deformable surface are used to represent the morphing process simulated at a range of angles of attack and flow speeds over the full flight envelope of the vehicle. Up to 4 % improvement is obtained on the range and endurance metrics. Improvements are not obtained at all flight conditions tested. It is observed that the morphing process gains influence as the Reynolds number becomes higher because of the associated increase in turbulent flow on the wing which can be delayed to obtain improved aerodynamic coefficients.

Résumé traduit

Les études aérodynamiques sont essentielles au développement de la technologie aéronautique. Une étude de trois méthodes pour améliorer la performance aérodynamique à l’aide de mesures de rayon d’action et d’endurance est présentée afin de guider les prochains cycles de conception d’un drone tactique de moyenne altitude et longue endurance, l’Hydra Technologies S45 Bàalam. Les résultats présentés sont obtenus à l’aide de simulations de mécanique des fluids numérique et sont ainsi de haute fidélité. Des modèles de substitution basés sur les processus gaussiens sont utilisés pour réduire le nombre de simulations à forte intensité de calcul requis dans les optimisations réalisées. Un algorithme d’optimisation globale efficace bayésien utilisant l’amélioration espérée est utilisé dans les deux séries d’optimisation.

Le premier ensemble de résultats établit la performance de base de l’aile et quantifie l’impact d’ailettes recourbées sur les forces aérodynamiques appliquées sur l’aile. Les résultats montrent que l’ailette améliore systématiquement l’aérodynamique de l’aile. La répartition des forces selon l’envergure montre que l’ailette introduit une composante de force dans la direction de la poussée. Cette composante est due à la forme incurvée de l’ailette et du champ d’écoulement, réduisant ainsi la traînée à l’extrémité de l’aile.

Le deuxième ensemble de résultats présente une étude d’optimisation sur les paramètres géométriques de l’aile. Trois paramètres de plan : l’allongement, l’effilement et l’angle de flèche, ainsi que l’angle de vrillage sont les variables de conception. Les résultats montrent que les améliorations possibles sont minimes, à moins que l’allongement ne soit augmenté car il n’y a pas de paramètre déterminant pour augmenter la portance sans accroitre significativement la traînée. Le vrillage de l’aile est identifié comme étant un paramètre important pour manipuler l’angle d’attaque auquel se produit la finesse maximale.

Le troisième ensemble de résultats se concentre sur les améliorations aérodynamiques réalisables grâce à la déformation active de la surface supérieure flexible de l’aile en vol en utilisant des tiges actionnées. Trois amplitudes de déplacement de la surface déformable sont utilisées pour représenter le processus de défomation sur une plage d’angles d’attaque et de vitesses sur l’enveloppe de vol du drone. Jusqu’à 4 %, une amélioration est obtenue sur le rayon d’action et l’endurance. Les améliorations ne sont pas obtenues à toutes les conditions de vol testées. On observe que la déformation de l’aile a un plus grand impact lorsque le nombre de Reynolds est plus élevé en raison de la position plus avancée de la transition entre le régime laminaire et le régime turbulent pour obtenir de meilleurs coefficients aérodynamiques.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: Thesis presented to École de technologie supéreure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in aerospace engineering".
Mots-clés libres: ailette, modèle de substitution, optimisation aérodynamique, aile déformable, mécanique des fluides numérique, processus gaussien, amélioration espérée
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 20 févr. 2019 21:57
Dernière modification: 11 mars 2019 19:39
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1979

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