Experimental and numerical investigation of gust load alleviation on subsonic wings
The emission footprint of the aviation sector can be decreased by reducing the structural weight of airplanes. Nowadays, airplanes are able to withstand dynamic peak loads, caused e.g. by gust or manoeuvres, by employing sturdy and hence heavy structures. Active load alleviation can contribute to reduce the airplane’s structural weight by mitigating the peak aerodynamic loads. The focus of this work is on load changes induced by gusts, which are dimensioning for the airplane’s structure and less predictable than manoeuvre load changes. Conventional surfaces, as ailerons, trailing edge flaps and spoilers, offer partial load alleviation, because of their inertia-limited achievable deflection angles. In order to obtain a more complete gust load alleviation, novel active flow control systems are investigated as they could offer the required control authority with reaction time adequate to compensate all gusts defined by certification documentation. Furthermore, the fast reaction time can be crucial to offer enough time for the gust load alleviation control system to react. Load changes induced by 1 - cos type gusts are evaluated with 2D- Unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes (URANS) simulations at different altitudes, flow conditions and gust-lengths. The gustinduced load changes are used as a lift reduction target for several potential actuator concepts, in order to identify the most promising ones. The load change capabilities of the actuators are evaluated with 2D-RANS at different operating conditions, focusing on the subsonic flight conditions. A trailing edge flap (flap), a jet blown perpendicularly to the airfoil’s upper surface (normal jet) and a jet blow tangentially over a convex surface integrated in the airfoil’s trailing edge area (circulation control actuator) offer control authority suitable for gust load alleviation. The reaction times of these three actuators are estimated with 2D-URANS simulations and compared with the load change evolution induced by the shortest gust defined by certification documentation at different altitudes and flight Mach numbers. The three actuators are activated impulsively and the power required by each of them is estimated. The circulation control actuator offers high and fast control authority suitable for mitigating gusts defined by certification documentation while featuring limited power requirements. 2D-circulation control airfoil is designed and experimentally tested at a moderately high Reynolds number Rec = 1.6 106 and low Mach number M = 0.14. The actuator features a dual slot layout system, which allows implementation of the jets on both airfoil sides and hence the ability to increase and decrease the airfoil’s lift. The two jets can be activated simultaneously and independently. The circulation control actuator shows high control authority with peak changes in lift coefficient of circa 0.36 and lift-to-equivalent-drag ratio changes up to 100. The simultaneous employment of upper and lower jets is found to produce higher lift-to-equivalent-drag ratio change than single upper or lower blowing, furthermore providing the possibility of partially decoupling lift and pitching moment changes. The reaction time of the actuator is a crucial aspect for gust load alleviation. Consequently, in order to test the reaction time of the circulation control airfoil, several impulsive switching between different initial and final blowing conditions of both upper and lower jets are tested. The actuator demonstrates a fast reaction time, reaching the steady value faster than the occurrence of the maximum load change induced by the shortest gust defined by certification documentation. The rate of change of the circulation control actuator is between 2-3 times faster than conventional surfaces implemented nowadays on airplanes. The frequency response behaviour of the actuator is further analyzed by testing periodic square wave activation signals. The tests are conducted at different steady operating conditions of the actuator and with different frequencies of the wave signal, allowing the identification of a dynamic model for the actuator. Furthermore, the actuator allows more complex activation profiles such as 1 - cos shapes which would offer a lift history suitable for alleviating 1 - cos gusts. Different 1 - cos like gust load changes are created in the wind tunnel with a pitching airfoil upstream of the circulation airfoil, inducing a maximum lift coefficient change of 0.2 with an onset time about two times shorter than for the shortest gust defined by certification documentation. The gust load alleviation performance are evaluated with a root mean square factor, and the circulation control airfoil is able to provide a load reduction up to 81%, with respect to the load induced by a predetermined upward gust. Furthermore, the actuator is integrated in a feedforward control strategy with a two component hotwire acting as a gust detector. The load alleviation capabilities are tested with different upward and downward gusts, at different steady operating conditions and controllers. Even with the small anticipation time offered by the hotwire, the actuator is able to provide up to 35% gust load alleviation.
Overall, the circulation control actuator is a suitable actuator for gust load alleviation as it offers high control authority in the time frame of the shortest gusts defined by certification documentation.
Der Emissionsfußabdruck des Luftfahrtsektors kann durch eine Verringerung des Strukturgewichts von Transportflugzeugen reduziert werden. Heutzutage sind Flugzeuge in der Lage, den während des Fluges auftretenden aerodynamischen Spitzenbelastungen wie Böen und Manövern standzuhalten, indem sie robuste und daher schwere Strukturen verwenden. Aktive Lastminderung kann dazu beitragen, das Flugzeugstrukturgewicht zu reduzieren, indem die aerodynamischen Spitzenlasten abgemindert werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf den durch Böen verursachten Laständerungen, die für die Struktur des Flugzeugs dimensionierend und weniger vorhersehbar sind als Laständerungen durch Manöver. Herkömmliche Steuerflächen wie Querruder, Hinterkantenklappen und Spoiler können aufgrund ihrer durch Trägheitseffekte begrenzten maximalen Auslenkungswinkel nur einen Teil der Lasten abmindern. Neuartige aktive Systeme basierend auf aktiver Strömungskontrolle können dieselbe Kontrollautorität wie herkömmliche Steuerflächen bieten, jedoch mit einer schnelleren Reaktionszeit, was nicht nur entscheidend sein kann, um alle in den Zulassungsunterlagen festgelegten Böen zu kompensieren, sondern auch, damit das Regelungssystem ausreichend Zeit zur Verringerung der Böenlasten hat. In dieser Arbeit werden zunächst die durch 1-cos-Böen induzierten Laständerungen mittels 2DURANS- Simulationen für verschiedene Flughöhen und Böenlängen bewertet. Die Böenlaständerungen werden als Anforderung für verschiedene Aktuatorkonzepte verwendet, um die vielversprechendsten Aktuatoren zu identifizieren. Das Lastminderungspotenzial der Aktuatoren wird mit 2D-RANSSimulationen bei verschiedenen Betriebsbedingungen simuliert, wobei der Schwerpunkt auf dem Unterschallflugbereich liegt. Eine Hinterkantenklappe (Flap), ein senkrecht zur Profiloberfläche ausgeblasener Luftstrahl (Normal jet) und ein tangential zu einer konvexen Fläche im Hinterkantenbereich des Profils ausgeblasener Strahl (Circulation Control Aktuator) werden als geeignete Konzepte für die Böenlastminderung identifiziert und bieten eine ausreichend hohe Kontrollautorität. Die Reaktionszeiten dieser drei Aktuatoren werden mit 2D-URANS-Simulationen abgeschätzt und mit dem zeitlichen Verlauf der Laständerung verglichen, die durch die kürzeste in den Zulassungsvorschriften definierte Böe in verschiedenen Flughöhen verursacht wird. Die drei Aktuatoren werden impulsartig aktiviert und ihre benötigte Leistung geschätzt. Der Circulation Control Aktuator weist eine hohe und schnelle Kontrollautorität zur Böenlastminderung auf, bei begrenztem Leistungsbedarf. Aufbauend auf diesen Untersuchungen wird ein 2D-Circulation Control Profil ausgelegt und experimentell bei einer relativ hohen Reynoldszahl Rec = 1.6106 und einer niedrigen Machzahl M = 0.14 getestet. Der Aktuator verfügt über zwei Schlitze, die die Ausblasung über beide Seiten des Profils ermöglichen und damit den Auftrieb erhöhen oder verringern können. Die beiden Luftstrahlen können gleichzeitig und unabhängig voneinander aktiviert werden. Der Circulation Control Aktuator weist eine hohe Kontrollautorität auf, mit Änderungen des Auftriebskoeffizienten von bis zu ca. 0.36 und einem Verhältnis von Auftriebsänderung zu äquivalenter Widerstandsänderung von bis zu 100. Der gleichzeitige Einsatz von oberer und unterer Ausblasung kann zu einer höheren Auftriebsänderung führen als ein einzelnes oberes oder unteres Ausblasen, und es besteht die Möglichkeit einer teilweisen Entkopplung zwischen Auftrieb und Nickmoment. Wie bereits erwähnt, ist die Reaktionszeit des Aktuators ein entscheidender Aspekt für die Böenlastminderung. Daher wird das Circulation Control Profil mit impulsartigem Umschalten zwischen verschiedenen Anfangs- und Endausblasbedingungen der oberen und unteren Schlitze getestet. Der Aktuator demonstriert hierbei eine schnelle Reaktionszeit und erreicht stationäre Werte der Ausblasung schneller als für die Minderung der kürzesten in den Zulassungsvorschriften festgelegten Böe nötig. Die Auftriebsänderungsrate des Circulation Control Aktuators ist 2-3 Mal schneller als die herkömmlicher, an aktuellen Flugzeugen eingesetzten Steuerflächen. Das Frequenzverhalten des Aktuators wird analysiert, indem mehrere periodische und impulsartige Umschaltungen zwischen maximalem oberen und unteren Ausblasen mit unterschiedlichen Frequenzen gefahren werden. Die Tests werden bei verschiedenen konstanten Betriebszuständen des Aktuators durchgeführt, was die Identifizierung eines dynamischen Ersatzmodells für den Aktuator ermöglicht. Darüber hinaus wird der Aktuator mit komplexeren Aktivierungsprofilen wie einem 1-cos Signal getestet, welches sich für die Lastminderung von 1 - cos Böen eignet. In einem letzten Schritt werden verschiedene 1 - cos-ähnliche Böenlasten im Windkanal mit einem dynamisch nickenden Profil stromauf des Circulation Control Profils erzeugt. Hierbei werden Auftriebsbeiwertsänderungen von 0.2 erzielt mit einer Antwortzeit die etwas halb so lange ist wie für die kürzeste Böe in den Zulassungvorschriften nötig. Das Circulation Control Profil ist in der Lage, bei einer aufwärts gerichteten Böe bis zu 81% Böenlastminderung zu erzielen. Darüber hinaus wird der Aktuator in eine Feedforward-Regelung mit einem Zweikomponenten-Hitzdraht als Böendetektor integriert. Die Lastminderungsfähigkeiten werden mit verschiedenen Aufwärts- und Abwärtsböen, bei verschiedenen stationären Betriebsbedingungen und Reglern getestet. Selbst mit der geringen Vorlaufzeit, die der verwendete Hitzdraht bietet, sowie einem unoptimierten Regler, ist der Aktuator in der Lage, bis zu 35% der Böenlast abzufangen. Insgesamt ist der Circulation Control Aktuator ein geeigneter Aktuator für die Entlastung von Böen, da er eine hohe Kontrollautorität bietet und zudem schnell genug reagiert, um selbst die kürzesten Böen in den Zulassungsvorschriften wirkungsvoll zu reduzieren.
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