Electroactive morphing for the aerodynamic performance improvement of next generation airvehicles

par Johannes Scheller

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Jean-François Rouchon et de Marianna Braza.

Le président du jury était Jean-Paul Bonnet.

Le jury était composé de Jean-François Rouchon, Marianna Braza, Christoph Bruecker, Eric Duhayon, Julian C. R. Hunt, Michael Triantafyllou.

Les rapporteurs étaient Lionel Petit.

  • Titre traduit

    Morphing électroactif pour l'optimisation des performances aérodynamiques de la prochaine génération des aéronefs


  • Résumé

    La nécessité d’améliorer la performance aérodynamique des véhicules aériens est à l’origine d’intenses recherches sur l’optimisation en temps réel de la forme de la voilure. Cette optimisation en temps réel ne peut être atteinte que par le morphing de la surface portante en utilisant des matériaux et des actionneurs appropriés. L’objet de cette thèse est d’étudier des actionneurs basés sur des matériaux intelligents pour l’optimisation de la performance aérodynamique sur différentes échelles de temps (d’actionnement basse fréquence et haute fréquence). Premièrement, différents types d’actionnement , qu’ils soient basse fréquence et grand déplacement grâce aux AMF ou qu’ils soient haute fréquence et faible déplacement utilisant des matériaux piézoélectrique sont considérés. Leurs effets sur l’écoulement environnant ont été analysés séparément en utilisant des mesures PIV dédiées. Les expériences ont montré la capacité de déformation de la technologie AMF sous des charges aérodynamiques réalistes. Il a été souligné que malgré la fréquence d’actionnement limitée l’hypothèse "quasi-statique" doit être soigneusement adaptée à la gamme de nombres de Reynolds de 200.000. Les mesures PIV menées derrière le bord de fuite à actionnement piézoélectrique ont montré la capacité de l’actionneur à réduire les modes d’instabilité de la couche de cisaillement. Une fréquence optimale d’actionnement de 60 Hz a été identifiée à l’aide d’une analyse en boucle ouverte. Dans un deuxième temps, une hybridation des deux technologies précédemment étudiés a été proposée. Les actionneurs utilisés, AMFs et MFCs, ont été modélisés et la capacité d’action combinée a été démontrée. Le prototype conçu, suivant le profil aérodynamique NACA4412 a été testé en la soufflerie et il a été montré que la combinaison de ces deux technologies permet d’agir sur les tourbillons de la zone de cisaillement ainsi que de contrôler la portance.


  • Résumé

    The need to improve the aerodynamic performance of air vehicles is the origin of intense research on the real-time optimization of the airfoil shape. This real-time optimization can only be achieved by morphing the airfoil using adequate materials and actuators. The object of this thesis is to study smart-material actuators for aerodynamic performance optimization on different time scales (low-frequent and high-frequent actuation). First, the effects of the distinct actuation types, low-frequency large-displacement shape-memory alloy (SMA) and high-frequency low-displacement piezoelectric, on the surrounding flow are analyzed separately using dedicated time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) measurements. The experiments showed the deformation capacity of the SMA technology under realistic aerodynamic loads. Furthermore, it was highlighted that despite the limited actuation frequency the “quasi-static” hypothesis has to be carefully adapted for the Reynolds number range of 200.000. The PIV measurements conducted behind the piezoelectrically actuated trailing edge showed the capacity of the actuator to reduce the shear-layer instability modes. An open-loop optimum actuation frequency of 60 Hz has been identified. Secondly, a hybridization of the two previously studied technologies has been proposed. The implied actuators, SMAs and macro fiber composites (MFCs), have been modelled and the combined actuation capacity has been demonstrated. The designed prototype NACA4412 airfoil has been tested in the S4 wind-tunnel of IMFT and it was shown that the combination of the two technologies allows acting on the shear-layer vortices as well as control the lift.


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