Numerical and experimental validation of the optimization methodologies for a wing-tip structure equipped with conventional and morphing ailerons

Koreanschi, Andreea (2016). Numerical and experimental validation of the optimization methodologies for a wing-tip structure equipped with conventional and morphing ailerons. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In order to answer the problem of ‘how to reduce the aerospace industry’s environment footprint?’ new morphing technologies were developed. These technologies were aimed at reducing the aircraft’s fuel consumption through reduction of the wing drag. The morphing concept used in the present research consists of replacing the conventional aluminium upper surface of the wing with a flexible composite skin for morphing abilities.

For the ATR-42 ‘Morphing wing’ project, the wing models were manufactured entirely from composite materials and the morphing region was optimized for flexibility. In this project two rigid wing models and an active morphing wing model were designed, manufactured and wind tunnel tested.

For the CRIAQ MDO 505 project, a full scale wing-tip equipped with two types of ailerons, conventional and morphing, was designed, optimized, manufactured, bench and wind tunnel tested. The morphing concept was applied on a real wing internal structure and incorporated aerodynamic, structural and control constraints specific to a multidisciplinary approach.

Numerical optimization, aerodynamic analysis and experimental validation were performed for both the CRIAQ MDO 505 full scale wing-tip demonstrator and the ATR-42 reduced scale wing models.

In order to improve the aerodynamic performances of the ATR-42 and CRIAQ MDO 505 wing airfoils, three global optimization algorithms were developed, tested and compared. The three algorithms were: the genetic algorithm, the artificial bee colony and the gradient descent. The algorithms were coupled with the two-dimensional aerodynamic solver XFoil. XFoil is known for its rapid convergence, robustness and use of the semi-empirical en method for determining the position of the flow transition from laminar to turbulent. Based on the performance comparison between the algorithms, the genetic algorithm was chosen for the optimization of the ATR-42 and CRIAQ MDO 505 wing airfoils.

The objectives for which the genetic algorithm optimizer found the optimal shapes for the studied airfoils were: 1) extension of the laminar flow towards the trailing edge, 2) extension of the turbulent region towards the leading edge and 3) improvement of the lift coefficient through the use of a morphing aileron method. The first two objectives were achieved through manipulation of the transition region using wing upper-surface morphing. The third objective was achieved through the development of two methods for aileron shape morphing.

The optimization algorithm was improved during the CRIAQ MDO 505 project for convergence speed by introducing a two-step cross-over function. Structural constraints were introduced in the algorithm at each aero-structural optimization interaction, allowing a better manipulation of the algorithm and giving it more capabilities of morphing combinations.

The CRIAQ MDO 505 project envisioned a morphing aileron concept for the morphing upper surface wing. For this morphing aileron concept, two optimization methods were developed. The methods used the already developed genetic algorithm and each method had a different design concept. The first method was based on the morphing upper surface concept, using actuation points to achieve the desired shape. The second method was based on the hinge rotation concept of the conventional aileron but applied at multiple nodes along the aileron camber to achieve the desired shape. Both methods were constrained by manufacturing and aerodynamic requirements. The purpose of the morphing aileron methods was to obtain an aileron shape with a smoother pressure distribution gradient during deflection than the conventional aileron.

The aerodynamic optimization results were used for the structural optimization and design of the wing, particularly the flexible composite skin. Due to the structural changes performed on the initial wing-tip structure, an aeroelastic behaviour analysis, more specific on flutter phenomenon, was performed. The analyses were done to ensure the structural integrity of the wing-tip demonstrator during wind tunnel tests.

Three wind tunnel tests were performed for the CRIAQ MDO 505 wing-tip demonstrator at the IAR-NRC subsonic wind tunnel facility in Ottawa. The first two tests were performed for the wing-tip equipped with conventional aileron. The purpose of these tests was to validate the control system designed for the morphing upper surface, the numerical optimization and aerodynamic analysis and to evaluate the optimization efficiency on the boundary layer behaviour and the wing drag.

The third set of wind tunnel tests was performed on the wing-tip equipped with a morphing aileron. The purpose of this test was to evaluate the performances of the morphing aileron, in conjunction with the active morphing upper surface, and their effect on the lift, drag and boundary layer behaviour.

Transition data, obtained from Infrared Thermography, and pressure data, extracted from Kulite and pressure taps recordings, were used to validate the numerical optimization and aerodynamic performances of the wing-tip demonstrator.

A set of wind tunnel tests was performed on the ATR-42 rigid wing models at the Price-Paidoussis subsonic wind tunnel at Ecole de technologie Superieure. The results from the pressure taps recordings were used to validate the numerical optimization. A second derivative of the pressure distribution method was applied to evaluate the transition region on the upper surface of the wing models for comparison with the numerical transition values.

Titre traduit

Validation numérique et expérimentale des méthodologies d'optimisation pour une aile déformables équipé avec des ailerons morphable et conventionnel

Résumé traduit

Afin de répondre au problème de «comment réduire l'empreinte environnementale de l'industrie aérospatiale?», des nouvelles technologies de morphing ont été développés. Ces technologies visent à réduire la consommation de carburant de l'avion grâce à la réduction de la traînée de l'aile. Le concept de morphing, utilisé dans la recherche présenté dans cette thèse, consiste à remplacer la surface supérieure en aluminium de l'aile avec une peau composite flexible pour morphing capacités.

Pour le projet l'ATR-42 « Aile Déformable», des modèles d'aile ont été fabriqués entièrement à partir de matériau composite et la région déformable a été optimisée pour la flexibilité. Dans ce projet, deux modèles d'ailes rigides et un modèle d'aile déformable en temps réel ont été conçus, fabriqués et testés en soufflerie.

Pour le projet CRIAQ MDO 505, un bout d'aile, a pleine échelle, équipée de deux types d'ailerons, conventionnels et déformable, a été conçu, optimisé, fabriqué et testé sur un banc de tests et en soufflerie. Le concept de morphing a été appliqué sur une structure d'aile réelle et incorporé des contraintes aérodynamiques, structurelles et de contrôle spécifiques.

Une optimisation numérique, des analyses aérodynamiques et validation expérimentale ont été effectuées tant pour le bout d'aile du projet CRIAQ MDO 505 et les modèles d'ailes échelle réduite d’ATR-42.

Afin d'améliorer les performances aérodynamiques des ailes d’ATR-42 et CRIAQ MDO 505, trois algorithmes d'optimisation globale ont été développés, testés et comparés. Les trois algorithmes ont été: l'Algorithme Génétique, la Colonie d’Abeilles Artificielles et le Gradient. Les algorithmes ont été couplés avec le solveur aérodynamique à deux dimensions XFoil. XFoil est connu pour sa convergence rapide, la robustesse et l'utilisation de la méthode semi-empirique en pour déterminer la position de la transition de l'écoulement de laminaire à turbulent. En se basant sur la comparaison des performances entre les algorithmes, l'algorithme génétique a été choisi pour l'optimisation des surfaces supérieures des ailes d’ATR-42 et CRIAQ MDO 505.

Les objectifs pour lesquels l'algorithme génétique a essayé de trouver les formes optimales pour les profils étudiés étaient: 1) l'extension de l'écoulement laminaire vers le bord de fuite, 2) l'extension de la région turbulente vers le bord d'attaque et 3) l'amélioration de coefficient de portance en l'utilisant un aileron déformable. Les deux premiers objectifs ont été atteints par la manipulation de la région de transition à l'aide de la surface supérieure déformable de l’aile. Le troisième objectif a été atteint grâce au développement de deux méthodes pour la déformation des profils des ailerons.

L'algorithme d'optimisation a été amélioré au cours du projet CRIAQ MDO 505 pour la vitesse de convergence en introduisant une fonction de cross-over en deux étapes. Les contraintes structurelles ont été introduites dans l'algorithme à chaque interaction aérostructure, ce qui a permis une meilleure manipulation de l'algorithme et en lui donnant plus de combinaisons possibles pour obtenir la déformation optimale.

Le projet CRIAQ MDO 505 a utilisé un concept d’aileron déformable pour le bout d'aile avec une surface supérieure déformable. Pour ce concept d'aileron déformable, deux méthodes d'optimisation ont été développées. Ces méthodes ont utilisées l'algorithme génétique déjà mis au point et chaque méthode à un concept différent. La première méthode se fonde sur le concept de la surface supérieure déformable en utilisant les points d'actionnement pour obtenir la forme souhaitée. La deuxième méthode est basée sur le concept de rotation de la charnière de l'aileron classique, mais appliqué à plusieurs noeuds le long de la cambrure de l’aileron pour obtenir la forme souhaitée. Les deux méthodes ont été contraintes par les demandes de fabrication et les exigences aérodynamiques. Le but pour les méthodes d'aileron déformable était d'obtenir une forme d'aileron avec un gradient de pression plus lisse lors de la déflection que celui de l'aileron conventionnel.

Les résultats d'optimisation aérodynamique ont été utilisés pour l'optimisation et la conception structurelle de l'aile, en particulier la peau composite flexible. En raison de ces changements structurels effectués sur la structure de bout d'aile initiale, des analyses du comportement aéroélastique, plus spécifique sur le phénomène du battement, a été réalisée. Les analyses ont été effectuées pour assurer l'intégrité structurelle du bout d’aile lors des essais en soufflerie.

Trois essais en soufflerie ont été effectués pour le bout d'aile du projet CRIAQ MDO 505 à la soufflerie subsonique d’IAR-NRC à Ottawa. Les deux premiers essais ont été réalisés pour le bout d'aile équipée avec un aileron conventionnel. Le but de ces essais était de valider le système de contrôle conçu pour la surface supérieure déformable, l'optimisation numérique et l'analyse aérodynamique et d'évaluer l'efficacité de l’optimisation sur le comportement de la couche limite et de la traînée de l'aile.

La troisième série d'essais en soufflerie a été réalisée sur le bout d'aile équipée d'un aileron déformable. Le but de ce test était d'évaluer les performances de l'aileron déformable, couplée avec la surface supérieure déformable en temps réel, et leur effet couplé sur la portance, la traînée et le comportement de la couche limite.

Les données de transition obtenues à partir de la thermographie infrarouge et les données de pression, extraites des enregistrements des senseurs Kulite et des pressions, ont été utilisés pour valider l'optimisation numérique et les performances aérodynamiques du bout de l'aile.

Une série d'essais en soufflerie a été réalisée sur les modèles d'ailes rigides ATR-42 à la soufflerie subsonique Price-Païdoussis à l'Ecole de Technologie Supérieure. Les résultats des enregistrements des prises de pression ont été utilisés pour valider l'optimisation numérique. Une méthode base sur la seconde dérivée de la distribution de pression a été appliquée pour évaluer la zone de transition sur la surface supérieure de modèles d'aile pour une comparaison avec les valeurs numériques de transition.

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 307-322.
Mots-clés libres:	Avions Ailes Aérodynamique. Avions Ailes Conception et construction. Avions Ailerons Conception et construction. Optimisation mathématique. Algorithmes génétiques. Dynamique des fluides numérique. Essais en soufflerie aérodynamique. Avions Carburants Consommation Aspect de l'environnement. adaptatif, extrémité aile déformable, optimisation aérodynamique, dynamique computationnelle des fluides, validation expérimentale, aileron conventionnel, aileron déformable, analyse aéroélastique, analyse de flutter
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	16 sept. 2016 13:45
Dernière modification:	10 déc. 2016 17:21
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1725

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