CRJ700 regional aircraft performances optimization using adaptive winglet systems

Segui, Marine (2022). CRJ700 regional aircraft performances optimization using adaptive winglet systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Motivated by the impact of aviation on global warming, this thesis aims to show the advantages of equipping aircraft with adaptive winglets. For validation purposes, the study was applied to the CRJ700 regional aircraft. Indeed, the Research laboratory of active control, avionics and aeroservoelasticity (LARCASE) has a level D flight simulator for this aircraft. This tool is essential in this research because it allows to deliver flight data admitting a maximum error of 5% with the real flight data of the aircraft. Moreover, a geometric model of the CRJ700 aircraft was provided by the manufacturer Bombardier, allowing us to work with the exact original geometry of the aircraft.

An adaptive winglet system was developed to be presented as a short-term solution to improve aircraft performance and thus reduce its fuel consumption. The winglet is one of the last parts to be assembled on an aircraft. Therefore, it was considered that changing conventional winglets to adaptive winglets should be relatively cost-effective from a production perspective.

The adaptive winglet developed in this thesis rotates between -93 deg and +93 deg, considering that for an angle of 0 deg, the winglet is parallel to the horizon. To perform the aerodynamic analysis, a high-fidelity model was developed using the open-source software OpenFoam. A specific methodology was established to make the model fully parametric and convergent for all flight conditions tested, considering angles of attack between -2 deg and +4 deg, as well as Mach number up to 0.79 for an altitude of 30,000 ft. The aerodynamic model validated for all these flight conditions with high accuracy, for instance by admitting a maximum margin of error of 0.0026 for the drag coefficient estimation.

Using this model, an aerodynamic study was conducted. Due to the computational cost, it was chosen to perform simulations for the winglet positions of -93, -73, -35, 0, 35, 73 and 93 deg, and to then predict the evolution of the aerodynamic coefficients for the intermediate winglet positions using interpolation methods. This methodology allowed the aerodynamic coefficients of the different winglet positions available between -93 and 93 deg to be studied, and for 35 flight conditions commonly used by the CRJ700 aircraft. It was found that for the same flight conditions the lift coefficient of an aircraft equipped with an adaptive winglet was significantly increased, while the drag coefficient was reduced compared to the original aircraft configuration. This demonstrated that for a given lift coefficient, an aircraft equipped with an adaptive winglet had a drag 2.65% lower than the drag of the same aircraft equipped with a fixed winglet.

A performance study was then conducted to analyze the benefits in terms of fuel consumption using a model developed and validated at the LARCASE. A methodology was developed to isolate the aerodynamic contributions of the "wing-body" and "horizontal-tail" groupings of the aircraft from the global calculations, computed using the OpenFoam software. In addition, a method to calculate the downwash deviation angle of the fluid by the wing was developed. Using these data and methodologies, the advantages of equipping an aircraft with adaptive winglets can be confirmed, particularly with a climb time improved by 4.21% on average, fuel consumption reduced by 3.79% on average during climb and by 1.99% on average during cruise.

Titre traduit

Optimisation des performances d’un avion à l’aide de systèmes d’ailes déformables

Résumé traduit

Concerné par l’impact de l’aviation dans le réchauffement climatique, cette thèse vise à montrer les avantages d’équiper les avions d’ailettes adaptatives. Par soucis de validation, l’étude a été appliqué à l’avion régional CRJ700. En effet, le Laboratoire de recherche en commande active, avionique et aéroservoélasticité (LARCASE) dispose d’un simulateur de vol qualifié d’un niveau D pour cet avion. Cet outil est essentiel dans cette recherche car il permet de délivrer des données de vol admettant une erreur maximale de 5% avec les données de vol réelles de l’avion. De plus, un modèle géométrique de l’avion CRJ700 a été fourni par le constructeur Bombardier, ce qui nous a permis de travailler avec la géométrie originale de l’avion exact.

Un système d’ailette adaptative a été développé afin d’être présenté comme une solution à court terme pour améliorer les performances des avions et ainsi réduire leur consommation de carburant. L’ailette est l’une des dernières parties que l’on assemble sur un avion. En conséquence, il a été considéré que changer les ailettes conventionnelles par des ailettes adaptatives devrait être peu couteux d’un point de vue production.

L’ailette adaptative développée dans cette thèse effectue une rotation entre -93 deg et +93 deg, en considérant que pour un angle de 0 deg, l’ailette est parallèle à l’horizon. Pour réaliser l’analyse aérodynamique, un modèle de haute-fidélité a été développé à l’aide du logiciel opensource OpenFoam. Une méthodologie spécifique a été établie afin de rendre le modèle entièrement paramétrique et convergent pour l’ensemble des conditions de vol testées, considérant des angles d’attaque entre -2 deg et +4 deg, ainsi qu’un nombre de Mach allant jusqu’à 0.79 pour une altitude de 30,000 ft. Pour l’ensemble des conditions de vol, le modèle aérodynamique a pu être validé avec précision, notamment en admettant une marge d’erreur maximale de 0.0026 sur l’évaluation du coefficient de trainée.

En utilisant ce modèle, une étude aérodynamique a pu être effectuée. Face au coût de calcul, il a été choisi de réaliser des simulations pour les positions d’ailettes -93, -73, -35, 0, 35, 73 et 93 deg et d’ensuite prédire l’évolution des coefficients aérodynamiques pour les positions d’ailettes intermédiaires grâce à des méthodes d’interpolation. Cette méthodologie a permis d’étudier les coefficients aérodynamiques des différentes positions d’ailette disponible entre -93 et +93 deg, et pour 35 conditions de vols communément utilisées par l’avion CRJ700. En résultats, il a été trouvé que pour une même condition de vol le coefficient de portance d’un avion équipé d’une ailette adaptative été fortement augmenté alors que le coefficient de trainé avait été réduit par rapport à la configuration originale de l’avion. Ceci a permis de démontrer que pour un coefficient de portance donné, un avion équipé d’une ailette adaptative disposé d’une trainée 2.65% inférieure à la trainée du même avion équipé d’une ailette fixe.

Une étude de performance a ensuite été conduite à l’aide d’un modèle développé et validé au LARCASE. Pour l’utiliser, une méthodologie a été développé afin d’isoler les contributions aérodynamiques du groupement « aile-fuselage » et « aile-horizontal de queue » de l’avion, à partir des calculs globaux effectué avec le logiciel OpenFoam. De plus une méthode pour calculer l’angle de déviation du fluide par l’aile (downwash) a été développé. À l’aide de ces données, des avantages d’équiper un avion avec des ailettes déformables ont pu être mise en avant, notamment avec un temps de monté amélioré de 4.21% (en moyenne), une consommation de carburant réduite de 3.79% en monté (en moyenne) et de 1.99% en croisière (en moyenne).

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 149-166).
Mots-clés libres:	aérodynamique, modélisation, morphing-wing, optimisation, performances
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Botez, Ruxandra
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 août 2022 14:59
Dernière modification:	19 août 2022 14:59
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3046

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