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Conception et exploitation d'une structure active pour une aile laminaire adaptative expérimentale

Coutu, Daniel (2010). Conception et exploitation d'une structure active pour une aile laminaire adaptative expérimentale. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Cette thèse a contribué au succès du projet CRIAQ 7.1 démontrant la faisabilité d’une aile laminaire adaptative capable de réduire la consommation de carburant des avions. En particulier, les travaux de recherche ont permis la conception de l’aile expérimentale et son exploitation en soufflerie subsonique (nombres de Mach compris entre 0.2 et 0.3 avec des angles d’attaques compris entre -1 et 2º).

Tout d’abord, le principe d’adaptation de l’aile repose sur un laminé en matériau composite lié à un système d’actionnement permettant la modification géométrique de la surface supérieure de l’aile. Cette structure active fut conçue à l’aide d’une méthodologie de design spécialement développée pour les problèmes aéro-structuraux. Sous ANSYS, la méthode des éléments finis permit de modéliser les différentes configurations potentielles de structures actives. Le chargement aérodynamique appliqué de même que les profils cibles à reproduire ont été fournis par les collaborateurs de l’École Polytechnique de Montréal. Ensuite, le solveur aérodynamique XFoil 6.96 a été employé pour évaluer l’augmentation du régime d’écoulement laminaire que chacune des configurations permettraient. Afin de poser le meilleur compromis entre la performance aérodynamique et l’énergie d’actionnement nécessaire, une optimisation multi-objective a été réalisée. Finalement, parmi les configurations offrant une performance aérodynamique stable, la structure composite constituée de 4-pli de renfort et de 2 lignes d’action a été retenue.

Par la suite, les travaux de recherche ont visé à exploiter le comportement adaptatif de l’aile, à savoir déterminer les courses optimales des actionneurs pour différentes conditions de vol testées. Ainsi, une fois le prototype fabriqué, le modèle structural a été revu, calibré et couplé au solveur aérodynamique afin de prédire avec précision le comportement aéro-structural en soufflerie. À l’aide d’un algorithme de recherche par motifs généralisés suivi d’un code pour raffiner la solution, les meilleurs profils adaptés ont été déterminés pour chacune des conditions d’écoulement. Ces efforts permirent de maintenir l’écoulement laminaire sur l’extrados à une distance supplémentaire moyenne de 25% de la corde de l’aile.

Conséquemment, une réduction moyenne de 18.5% de la traînée de profil a pu être observée. Malgré ces résultats satisfaisants, les limitations du modèle couplé ont été décelées lors de la comparaison des prédictions numériques avec la réponse expérimentale de l’aile en soufflerie. Pour cette raison, l’optimisation de la forme adaptée a été réalisée en temps réel (contrôle en boucle fermée) afin d’exploiter le plein potentiel de l’aile. Pour ce faire, la balance de la soufflerie a été employée afin de fournir instantanément une mesure de la finesse de l’aile à l’optimiseur. Afin de minimiser le temps de recherche, l’algorithme d’optimisation spécialement conçu pour cette application commande des trajectoires de recherche minimisant les allers-retours des actionneurs.

Aussi, pour accélérer la recherche, les prédictions du modèle couplé (boucle de contrôle ouverte) sont utilisées en tant que formes adaptées initiales. Ainsi, en comparaison avec l’approche en boucle ouverte, l’amélioration de la finesse de l’aile mesurée à la balance passa de 11 à 12.2% en moyenne.

Également, pas plus de 4 minutes supplémentaires ont été nécessaires pour la convergence vers le profil optimisé en temps réel, ce qui est acceptable pour la durée d’un vol de croisière. Finalement, pour le bénéfice du projet CRIAQ 7.1, la réciprocité de la relation entre la finesse de l’aile et l’augmentation de l’étendue de l’écoulement laminaire a pu être confirmée expérimentalement à l’aide de mesures infrarouges réalisées par l’équipe du CNRC-IRA.

Titre traduit

Design and operation of an active structure for an experimental morping laminar wing

Résumé traduit

This doctoral research contributed to the success of the project CRIAQ 7.1, demonstrating the capability of a morphing laminar wing to reduce fuel consumption. Respectively, this thesis shows the design of the experimental wing and its operation in a subsonic wind tunnel (Mach numbers of 0.2 to 0.3 with angles of attack between -1 and 2°).

First of all, the morphing wing is formed of a composite laminate linked to an actuation system to build an active structure capable of modifying the wing upper surface geometry. The design was performed using a new developed methodology to solve aero-structural problems. Using ANSYS software, the finite elements method was applied to model the different possible active structure configurations Aerodynamic loads applied over the active structure as well as targeted morphed geometries have been provided by the École Polytechnique team. Next, laminar flow enhancements allowed by each active structure configuration were evaluated using the aerodynamic solver XFoil 6.96. A best trade-off between aerodynamic performance and energy needed for wing morphing was found using a multi-objective optimization technique. Among the retained stable configurations, a 4-ply composite laminated shell driven by 2 actuation lines was retained.

Thereafter, the research effort focused on the exploitation of the morphing capabilities of the experimental wing over each given set of flow conditions. Therefore, once the prototype was built, the structural model was refined, calibrated and coupled with the aerodynamic solver to accurately predict the aero-structural behavior in the wind tunnel. Optimal morphing wing shapes were numerically calculated using a generalized pattern search algorithm and a local search routine to refine the solution. In the wind tunnel, this open-loop control approach allowed an average 25% laminar flow regime extension over the wing prototype upper surface. Consequently, an average 18.5% profile drag reduction was measured by the pressure survey rake across the wake.

Although these results were satisfactory, limitations in the aero-structural coupled model were observed when comparing numerical and experimental responses of the prototype. For that reason, the research continued with the development of a real-time optimization strategy in closed loop to exploit the complete potential of the morphing laminar wing. The wind tunnel balance was used as a hardware-in-the-loop returning the instantaneous lift-to-drag ratio to the optimizer. An optimization algorithm has been built to minimize the actuation required and thus reduce the time period until convergence to the optimal shape. To accelerate the search, numerically predicted actuation strokes (open loop) were used as initial modified shapes. As measured in the wind tunnel, the use of the closed-loop control strategy resulted in an average lift-to-drag ratio increase from 11 to 12.2% as compared to the openloop approach. No more than 4 additional minutes were required to converge to the real-time optimized shapes, an acceptably small time delay on the cruise flight period time scale. Finally, infrared measurements performed byt the IAR-NRC team allowed experimental demonstration of the reciprocity between the laminar flow improvement and the lift-to-drag ratio increase.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des réf. bibliogr.
Mots-clés libres: Avions Ailes Conception et construction. Méthode des éléments finis. Composites. Essais en soufflerie aérodynamique. Actionneurs. Effet mémoire de forme. Actif, Adaptatif, CRIAQ, Expérimental, Exploitation, Laminaire, Multi-Objectif, Optimisation, Réel, Structure, Temps, aile laminaire adaptative, élément finis, structure active, conception, matériau, composite, optimisation multi-objective, optimisation en temps réel, actionneurs, alliages à mémoire de forme.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Brailovski, Vladimir
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Terriault, Patrick
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 28 mars 2011 15:30
Dernière modification: 18 janv. 2017 21:51
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/633

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