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

Résumé

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.

Date	22 juin 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ruxandra Botez (Directeur(-trice))