Aerodynamic design optimization and flow separation control of the UAS-S45 using wing morphing technology

Résumé

La conception des avions modernes est grandement influencée par des considérations environnementales, telles que le bruit et les émissions de carbone, l’amélioration de l’efficacité énergétique et la croissance neutre en carbone, et la hausse des prix du carburant a également fait de l’efficacité énergétique un élément essentiel de la conception des avions. Le secteur de l’aviation a utilisé de nombreuses stratégies pour atteindre ces objectifs, et cette thèse vise à développer un concept d’aile déformable basé sur le Morphing Leading Edge (MLE) et le Morphing Trailing Edge (MTE) pouraugmenter l’efficacité aérodynamique d’un avion. Par conséquent, une optimisation aérodynamique et structurelle pour le profil UAS-S45 à l’aide de la technologie d’aile déformante a été réalisée au Laboratoire de recherche en contrôles actifs, avionique et aéroServoÉlasticité (LARCASE). Cela inclut un cadre d’optimisation, qui combine un algorithme d’optimisation, des techniques de paramétrage de profil aérodynamique et un solveur aérodynamique. Pour obtenir les formes d’ailes optimisées, différentes méthodes de paramétrage, telles que les méthodes de Bézier- Parsec (BP), de transformation de forme de classe (CST) et de Makima, ainsi que des algorithmes d’optimisation, tels que la recherche de motifs d’optimisation en essaim de particules couplée (PSO), l’algorithme génétique et l’optimisation de la fenêtre noire (BWO). Les effets de diverses techniques de paramétrage et de choix d’algorithmes sur le temps de calcul et les résultats de l’optimisation aérodynamique sont étudiés. Plusieurs fonctions objectives, telles que la minimisation de la traînée, la maximisation de la portance à la traînée et la maximisation des performances d’endurance aérodynamique, ont été utilisées pour optimiser les arbres de profil aérodynamique. Un solveur aérodynamique a été couplé à une optimisation interne basée sur MATLAB. Les méthodes de paramétrage ont été intégrées au solveur aérodynamique bidimensionnel connu sous le nom de XFoil, et le modèle de turbulence Transition (y - Reꝋ) a été utilisé pour valider les résultats. Les résultats de l’optimisation ont révélé que les ailes déformables de type Morphing Leading Edge (MLE) et Morphing Trailing Edge (MTE) améliorent leurs performances aérodynamiques dans différentes conditions de vol. Par exemple, le coefficient de portance du profil MLE a été augmenté de 21 % et le coefficient de portance maximal a été porté à 9.6 %. De plus, un retard de 3 degrés pour l’angle d’attaque du décrochage a été observé. Les configurations MTE ont également montré une amélioration significative des performances aérodynamiques. Les profils MTE ont augmenté le coefficient de portance maximal à 8.13%, et l’endurance a été maximisée en augmentant CL3/2/CD 10.25%. Dans l’ensemble, l’aile déformante peut augmenter le coefficient de portance maximal, retarder la séparation de la couche limite et augmentant l’angle d’attaque de décrochage. De plus, une optimisation structurelle préliminaire a été effectuée pour aider à la conception et à l’analyse d’une structure de bord d’attaque déformable à l’aide de l’analyse de sensibilité paramétrique. La corrélation entre les variables de conception, telles que l’épaisseur du stratifié composite, les propriétés du matériau, l’orientation des plis, le nombre de plis, etc., et les paramètres de deux critères de défaillance, la rupture de contrainte maximale et la défaillance de Tsai-Wu, ont été évaluées. L’étude a permis d’obtenir les variables importantes qui sont significatives pour la conception de l’aile déformable. Les matrices de corrélation et de détermination ainsi que les nuages de points ont été obtenus pour tous les paramètres de conception et, par conséquent, ces résultats ont été utilisés pour concevoir l’aile au bord d’attaque déformable en composite. En outre, l’utilisation de la technologie des ailes déformables comme technique de contrôle du décrochage a été étudiée parce quela commande de décrochage dynamique se produit dans toutes les applications aérospatiales. La nécessité d’un contrôle dynamique du décrochage est cruciale pour les UAV et les avions militaires, car ils nécessitent un haut niveau de manoeuvrabilité. La conception et la mise en oeuvre de la technologie DMLE (Dynamically Morphing Leading Edge) ont été étudiées de manière exhaustive pour différents paramètres de déformation, tels que la fréquence et l’amplitude de déviation, et moment du début de déformation. Il s’est avéré efficace pour contrôler la formation et le développement du vortex de pointe et la séparation des flux, empêchant ainsi le profil de connaître un décrochage dynamique.

Date	4 avr. 2023
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ruxandra Botez (Directeur(-trice)) & Tony Wong (Codirecteur(-trice))