Adaptive flow control based on local pressure distribution over wing
Loading...
Files
Date
Authors
Dvořák, Petr
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Předkládaná práce se zabývá detekcí odtržení proudu na povrchu křídla a jeho automatickým řízením. Celá práce je inspirována schopností detekce proudění, kterou disponují ptáci a jiní létající živočichové. Výsledná technologie umožňuje předejít pádu letounu do neletových režimů. Práce se zabývá senzory, schématy řízení a akčními členy potřebnými k vytvoření automatického systému potlačujícího odtržení proudu na povrchu křídla. Na základě rešerše literatury bylo zjištěno, že aktuálně dostupné snímače nedosahují požadované citlivosti a doby odezvy zároveň s požadavky na nízkou cenu, jednoduchou údržbu a vysokou odolnost. Všechny tyto parametry jsou nezbytné pro provozní nasazení na bezpilotních prostředcích a lehkých pilotovaných letadlech, jež byly v rámci této práce identifikovány jako cílové platformy. Z výše uvedeného důvodu bylo hlavní úsilí zaměřeno na vývoj senzoru odtržení proudu na povrchu křídla, který splňuje stanovené požadavky. Byl navržen nový senzor založený na optickém snímání polohy pružných pásek unášených proudem vzduchu—princip je analogický bavlnkám používaným rutinně pro vizualizaci proudění. Vyvinutý senzor byl testován v aerodynamickém tunelu i při letovém experimentu a bylo zjištěno, že spolehlivě signalizuje odtržení proudu. Aby bylo možné implementovat kompletní systém prevence odtržení proudu, byl senzor doplněn jednoduchým regulátorem, který ovládá mechanickou řídicí plochu na odtokové hraně křídla. Celý systém se ukázal jako úspěšný při předcházení pádům letounu jak v kontrolovaných podmínkách aerodynamického tunelu, tak v podmínkách reálných letových testů. Vyvinutý systém umožňuje letounu bezpečně letět minimální možnou rychlostí, a tedy maximálně využít letovou obálku. Hlavním přínosem vyvinutého systému je metoda přímého snímání odtržení proudění bez ohledu na konfiguraci letadla. Kromě toho se systém vyznačuje nízkými náklady a nároky na údržbu. Lze jej instalovat bez mechanického zásahu do povrchu křídla, a tudíž bez nutnosti úpravy konstrukce letounu.
The presented thesis is concerned with flow detachment detection and its automatic control. The overall aim is to achieve flow sensing capabilities similar to those possessed by birds in order to avoid flow stall around an airplane wing. The work addresses sensors, control schemes and actuators needed to achieve the set objective. Based on literature review, it is found that the available sensing technologies fail to achieve required sensitivity and response time while featuring low price, simple maintenance and high robustness. All the aforementioned qualities are required for operational deployment on unmanned aerial vehicles and light manned airplanes identified as the target platforms in the frame of this work. Therefore, major effort has been focused on development of a flow detachment sensor that fulfils the set requirements. A novel sensor has been devised based on optical sensing of position of flexible tapes being immersed in the flow—a principle similar to barbs used for flow visualization near to wall. The developed sensor has been tested in wind tunnel and in a flight experiment and found reliable to signalise flow detachment. To implement a complete stall prevention system, the sensor has been complemented by a simple feed-forward controller driving a traditional trailing edge control surface. The entire system proved successful in alleviating stall of a wing both in controlled wind tunnel and real flight conditions. The developed system demonstrated secure stall prevention while allowing the aircraft to fly safely at the minimum possible velocity and hence expanding the aircraft flight envelope. The principal novelty of the developed system is the method of direct flow detachment sensing indifferent to the configuration of the aircraft. Furthermore, the system features low cost and maintenance requirements. It can also be implemented without penetration of the wing surface, hence without need to adapt the wing structural parts.
The presented thesis is concerned with flow detachment detection and its automatic control. The overall aim is to achieve flow sensing capabilities similar to those possessed by birds in order to avoid flow stall around an airplane wing. The work addresses sensors, control schemes and actuators needed to achieve the set objective. Based on literature review, it is found that the available sensing technologies fail to achieve required sensitivity and response time while featuring low price, simple maintenance and high robustness. All the aforementioned qualities are required for operational deployment on unmanned aerial vehicles and light manned airplanes identified as the target platforms in the frame of this work. Therefore, major effort has been focused on development of a flow detachment sensor that fulfils the set requirements. A novel sensor has been devised based on optical sensing of position of flexible tapes being immersed in the flow—a principle similar to barbs used for flow visualization near to wall. The developed sensor has been tested in wind tunnel and in a flight experiment and found reliable to signalise flow detachment. To implement a complete stall prevention system, the sensor has been complemented by a simple feed-forward controller driving a traditional trailing edge control surface. The entire system proved successful in alleviating stall of a wing both in controlled wind tunnel and real flight conditions. The developed system demonstrated secure stall prevention while allowing the aircraft to fly safely at the minimum possible velocity and hence expanding the aircraft flight envelope. The principal novelty of the developed system is the method of direct flow detachment sensing indifferent to the configuration of the aircraft. Furthermore, the system features low cost and maintenance requirements. It can also be implemented without penetration of the wing surface, hence without need to adapt the wing structural parts.
Description
Citation
DVOŘÁK, P. Adaptive flow control based on local pressure distribution over wing [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2022.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (předseda)
doc. Ing. Dalibor Rozehnal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Luboš Janko, CSc. (člen)
doc. Ing. Vladimír Daněk, CSc. (člen)
doc. RNDr. Zdeněk Karpíšek, CSc. (člen)
doc. Ing. Peter Chudý, Ph.D., MBA (člen)
Date of acceptance
2022-06-01
Defence
DP je zaměřena na oblast vnější aerodynamiky, téma je aktuální a má uplatnění v letecké praxi. Dizertant prokázal schopnost vědecky pracovat. DP je dobrým podkladem pro další studium a aplikace oboru vnější aerodynamiky. Všechny cíle DP byly splněny. Komise oceňuje originální přístup k řešení mezioborové problematice.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Přístup k plnému textu prostřednictvím internetu byl licenční smlouvou omezen na dobu 3 roku/let