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Design of an active controller for delaying the transition from laminar flow to turbulent flow over a morphing wing in wind tunnel

Popov, Andrei Vladimir (2010). Design of an active controller for delaying the transition from laminar flow to turbulent flow over a morphing wing in wind tunnel. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The aerospace industry is motivated to reduce fuel consumption in large transport aircraft, mainly through drag reduction. The main objective of the global project is the development of an active control system of wing airfoil geometry during flight in order to allow drag reduction. Drag reduction on a wing can be achieved through modifications in the laminar-toturbulent flow transition point position, which should be situated as close as possible to the trailing edge of the airfoil wing. As the transition point plays a crucial part in this project, this work focuses on the control of its position on the airfoil, as an effect of controlling the deflection of a morphing wing airfoil equipped with a flexible skin.

The paper presents the modeling and the experimental testing of the aerodynamic performance of a morphing wing, starting from the design concept phase all the way to the bench and wind tunnel tests phases. Several wind tunnel test runs for various Mach numbers and angles of attack were performed in the 6 × 9 ft2 wind tunnel at the Institute for Aerospace Research at the National Research Council Canada. A rectangular finite aspect ratio wing, having a morphing airfoil cross-section due to a flexible skin installed on the upper surface of the wing, was instrumented with Kulite transducers. The Mach number varied from 0.2 to 0.3 and the angle of attack between -1o and 2o. Unsteady pressure signals were recorded and analyzed and a thorough comparison, in terms of mean pressure coefficients and their standard deviations, was performed against theoretical predictions, using the XFoil computational fluid dynamics code.

The acquired pressure data was analyzed through custom-made software created with Matlab/Simulink in order to detect the noise magnitude in the surface airflow and to localize the transition point position on the wing upper surface. This signal processing was necessary in order to detect the Tollmien-Schlichting waves responsible for triggering the transition from laminar to turbulent flow.

The flexible skin needed to morph its shape through two actuation points in order to obtain an optimized airfoil shape for several flow conditions in the wind tunnel. The two shape memory alloy actuators, having a non-linear behavior, drove the displacement of the two control points of the flexible skin towards the optimized airfoil shape. This thesis presents the methodology used and the results obtained from designing the controller of the two shape memory actuators as well as the methods used for morphing wing control in the wind tunnel tests designed to prove the concept and validity of the system in real time.

Titre traduit

Conception d'un contrôleur actif pour le retard de la transition de l'écoulement laminaire au turbulent sur une aile à géométrie du profil variable dans le tunnel à vent

Résumé traduit

L’industrie aérospatiale est motivée par la réduction de la consommation de combustible pour les avions de transport à longue croisière, principalement par la réduction de la trainée. L’objectif principal de ce projet est de concevoir un système de contrôle actif pour la géométrie du profil d’aile d’une aile d’avion pour permettre la réduction de la trainée. La réduction de la trainée peut être obtenue par la modification du point de transition entre l’écoulement laminaire et écoulement turbulent, qui doit être positionnée le plus proche possible du bord de fuite du profil de l’aile. La position du point de transition à un rôle très important dans ce projet, et en conséquence ce travail se concentre sur le contrôle de la position du point de transition sur le profil de l’aile, comme effet du contrôle de la déflection de la peau flexible installée sur l’extrados de l’aile.

Ce travail présente la modélisation, la réalisation, l’instrumentation et les essais expérimentaux d’une aile avec géométrie variable du profil du début de la conception jusqu’aux essais sur le banc et dans la soufflerie. Plusieurs essais en soufflerie pour plusieurs valeurs de nombre Mach et angles d’incidence ont été réalisés dans le tunnel de 2 m × 3 m appartenant à l’Institut de Recherche Aerospatiale - Conseil National de Recherche du Canada. Une aile rectangulaire avec une envergure finie et un profil d’aile variable due à une peau flexible installée sur l’extrados du profil a été instrumenté avec des capteurs Kulite. Le nombre de Mach a été varié de 0.2 jusqu'au 0.3 et avec l’angle d’incidence de -1o jusqu’au 2o.

Les signaux de pression ont été mesurés, analysés et comparés par la valeur moyenne du coefficient de pression et la déviation standard avec les valeurs obtenues par le code CFD XFoil. Les valeurs mesurées ont été analysées par un logiciel maison conçu à l’aide de Matlab/Simulink pour détecter la magnitude du bruit dans la couche limite de l’écoulement et localiser la position du point de transition sur l’extrados de l’aile. Cette analyse a été nécessaire pour détecter les ondes Tollmien-Schlichting, apparaissant suite à la transition entre l’écoulement laminaire et turbulent.

La peau flexible changeait sa forme grâce à deux actionneurs pour réaliser la forme du profil optimisé correspondante à chaque condition du l’écoulement de l’air dans soufflerie. Les deux actionneurs en alliages à mémoire de forme, ayant un comportement non-linéaire, ont été contrôlés par un contrôleur avec plusieurs méthodes de contrôle. Cette méthodologie présentée dans ce travail et les résultats obtenus montrent la validité du concept en temps réel dans les conditions expérimentales.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr. : f. 238-239.
Mots-clés libres: Avions Ailes. Écoulement de transition. Souffleries aérodynamiques. control, laminaire, tunnel, turbulent, variable, vent
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Botez, Ruxandra
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 24 août 2010 14:14
Dernière modification: 09 févr. 2017 21:30
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/285

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