Numerical analysis of the multi-section nature of the regional blended wing body aircraft at low speed

Velazquez Salazar, Oliverio Esteban (2020). Numerical analysis of the multi-section nature of the regional blended wing body aircraft at low speed. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The blended wing body aircraft, or BWB for short, is an innovative concept that gathers all of the elements of an aircraft inside a unique wing envelope. This configuration promises a lower environmental footprint coupled with sizable fuel savings. Numerous scientific papers already either use or are expanding on this configuration; particularly for passenger transport and UAV applications. Concerning the passenger transport, the existing aerodynamic works on the BWB focus mainly on large-capacity, long-range designs under cruise conditions. However, current market forecasts show an expected increase in demand for regional, medium capacity aircrafts for 100-150 passengers. Moreover, this aircraft`s unique geometry incorporates multiple airfoil, chord, sweep and twist distributions along the wingspan. For the BWB, these distributions are not necessarily constant or mathematically smooth; giving raise to different aerodynamic behaviour depending on which section of the aircraft is analysed. This multisection nature of the BWB hints at the hypothesis that the BWB designer may have the ability to consciously align the aerodynamic behaviour of the centerbody with that of the outer wing to obtain predictable low speed behaviour, in particular, to generate a stronger natural lift at low speeds. The objective of this thesis is to develop BWB-specific design tools, based on the hypothesis of the existence of a unique interaction between the centerbody and the outer wing, with respect to natural lift at low speeds for this aircraft configuration. This original work would allow designers to incorporate said predictive coupling in the conceptual design phases of future BWBs.

The proposed methodology is based on the numerical analysis of a regional BWB at low speed. First, a geometrical model of the baseline regional BWB was generated by applying classic aircraft design methods coupled with BWB-specific constraints. This was followed by the comparison of the low speed behaviour between a conventional aircraft and a BWB. The aerodynamic behaviour of each aircraft was simulated via RANS simulations applied over a series of angles of attack spread around the stall angle. Based on the behavioural differences, a coupling between the centerbody and the outer wing is proposed. Specifically, a study of the impact of twist distribution on maximum lift is carried out. Once again, RANS simulations at low speed are applied, this time, over three BWB geometries with different twist distributions. The results validate the hypothesis of a strong coupling between centerbody and outer wing at low speeds. Furthermore, these original results are used to calibrate a low-fidelity model of the maximum lift coefficient of a BWB at low speeds.

This thesis brings forth some known results from classic wing theory like the importance of stalling close to the wing root and the stall delay effect introduced by the twist. On the original side, a baseline regional BWB geometry is proposed for use in future works. This geometry has already been used in other theses and scientific works. Furthermore, a mathematical low fidelity model of the maximum lift coefficient of a BWB has been developed. Moreover, analysis of the behavioural differences between a conventional aircraft and a BWB show that the centerbody of a BWB generates a stall-resistance phenomenon which is non-existent in conventional aircrafts. Analysis of the twist distribution on the BWB shows that it is possible to couple the aerodynamic characteristics of the outer wing with those of the centerbody to amplify natural lift generation. In particular, it was found that, on top of delaying stall, increased twist can also lead to increased maximum lift in the case of a BWB aircraft. The numerical results are used to calibrate the proposed maximum lift coefficient model. This model is a contribution to the scientific community interested in the development of complex wings and all-wing aircrafts like the BWB.

In conclusion, this thesis shows the unique characteristic of the BWB to allow the designer to couple the outer wing and the centerbody behaviours to increase maximum lift and optimize its stall behaviour at low speed. Future work should focus on the use of more accurate simulation methods as well as the exploration of a larger BWB model database so as to enhance the robustness of the maximum lift prediction model. Nevertheless, the general results of this thesis are satisfactory and unveil previously undocumented advantages of the BWB with respect to conventional aircrafts at low speed.

Titre traduit

Analyse numérique basse vitesse de la nature multi-section de l’avion à fuselage intégré

Résumé traduit

L’avion a fuselage intégré ou BWB pour ses initiales en anglais est un concept innovant qui assemble tous les éléments d’un avion à l’intérieur d’une unique enveloppe. Cette configuration propose des gains en consommation de carburant ainsi qu’un impact environnemental plus faible. Des nombreux travaux scientifiques utilisent ou développent cette configuration, particulièrement dans le cadre de transport des passagers et dans le cadre de conception de drones. Dans sa modalité de transport de passagers, les travaux aérodynamiques existants se basent prioritairement sur des versions long-courrier en conditions de croisière. Toutefois, les études de marché actuelles montrent une tendance croissante sur la demande d’aéronefs de moyenne portée pour 100-150 passagers. Par ailleurs, la géométrie de cet avion incorpore plusieurs profils aérodynamiques, cordes, angles de flèche et de vrillage distribués sur l’envergure de l’avion. Dans le cas du BWB, ces distributions ne sont pas nécessairement constantes ou même régulières au sens mathématique; ceci donne lieu à différents comportements aérodynamiques en fonction des différentes sections de l’aéronef. Cette nature multi-section prévoit l’existence de fortes interactions entre le corps central et l’aile extérieure de l’avion. Ces interactions – uniques au BWB – seraient particulièrement importantes lors des manoeuvres basse vitesse comme le décollage et l’atterrissage. Ce comportement unique pourrait être exploité pour générer plus de portance naturelle à basse vitesse avant même d’envisager des dispositifs hypersustentateurs. L’objectif de cette thèse est de développer des outils de conception spécifiques au BWB basés sur l’hypothèse d’une interaction unique entre le corps central et l’aile extérieure concernant le décalage du décrochage et l’augmentation naturelle de la portance à basse vitesse pour ce type d’avion. Cette étude original permettrait d’exploiter ces interactions lors des phases de design conceptuel des BWB.

La méthodologie adoptée propose l’analyse numérique d’un BWB régional à basse vitesse. D’abord, un modèle géométrique du BWB régional est construit en utilisant des méthodes de design conceptuel couplées aux contraintes géométriques de l’avion. Ensuite le comportement à basse vitesse d’un BWB est comparé à celui d’un avion conventionnel. Le comportement aérodynamique de chaque avion est simulé grâce à des méthodes de volumes finis couplées aux équations RANS appliquées sur une enveloppe d’angles d’attaque centrés autour de l’angle de décrochage. Une fois les différences de comportement ciblées, il est possible de proposer des méthodes pour identifier l’interaction basse vitesse entre le corps central et l’aile extérieure. Dans le cas présent, une analyse de l’influence du vrillage sur la portance maximale est proposée. Des méthodes RANS permettent de simuler le comportement basse vitesse du BWB autour du décrochage avec différents vrillages. Les résultats démontrent bel et bien l’existence d’un couplage exploitable entre le corps central et l’aile extérieure à basse vitesse. Ces résultats sont utilisés pour calibrer un modèle original de calcul de portance maximale pour un BWB à basse vitesse.

Cette thèse revoit plusieurs résultats connus de la littérature comme l’intérêt de concevoir le décrochage de l’aile le plus près possible de l’encrage ainsi que l’effet retardateur du vrillage d’une aile sur le décrochage de celle-ci. Quant aux résultats originaux, on retrouve une géométrie de BWB régional utilisée comme point de départ d’autres travaux scientifiques. De plus, un modèle basse fidélité de calcul de portance maximale du BWB est proposé. Par ailleurs, l’analyse comparative à basse vitesse entre un avion conventionnel et un BWB montre que le corps central du BWB apporte une résistance au décrochage inexistante dans l’avion conventionnel. L’analyse du vrillage montre qu’il est possible de coupler le comportement aérodynamique du corps central avec celui de l’aile extérieure afin d’augmenter la génération de portance naturelle. En particulier, il a été démontré qu’une augmentation du vrillage était aussi accompagnée, dans le cas du BWB, par une augmentation de la portance maximale. Les résultats numériques sont utilisés pour calibrer le modèle de portance maximale proposé. Ce modèle est un apport à la communauté scientifique intéressée dans le développement d’ailes complexes et d’avions comme le BWB.

En tout, cette thèse aura mis en relief la caractéristique unique des BWB de pouvoir coupler le comportement du corps central avec celui de l’aile extérieure pour maximiser la portance maximale de l’avion et optimiser son point de décrochage global. Les travaux futurs devront se centrer sur l’utilisation de méthodes de simulation numérique plus exactes, pour autant que les ressources numériques le permettent, ainsi que l’exploration de plus de géométries BWB afin de générer un modèle de portance maximale plus robuste. Cela dit, les résultats généraux sont satisfaisants et démontrent des nouveaux avantages du BWB par rapport aux avions conventionnels, cette fois-ci, sous conditions de basse vitesse.

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". Comprend des références bibliographiques (pages 203-212).
Mots-clés libres:	aéronautique, aérodynamique, BWB, CFD, RANS, portance maximale, basse vitesse, design d’aéronefs
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Morency, François
Codirecteur:	Codirecteur Weiss, Julien
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	02 août 2021 23:46
Dernière modification:	02 août 2021 23:46
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2677

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