International aviation regulations on emissions are becoming more strict. Improvements goals on fuel efficiency demand development of technologies capable of reducing fuel consumption and gas emissions. Morphing structures capability to adapt their aerodynamic shape for optimal condition in flight brings potential for reduction of aircraft drag and operating fuel consumption, minimizing gas emissions and fuel expenses. This study presents an investigation on the impact of a camber morphing winglet on midsize business jet using numerical simulation and wind tunnel experiments. A genetic algorithm was used to optimize the winglet sections camber for different flight conditions. Optimized geometries achieved total drag reduction of up to 0.58% compared to original winglet for single condition optimization, reaching up to 7 % reduction on consumed fuel on a typical mission. This efficiency improvement allows aircraft to carry 900 kg additional load, comprising the morphing system and extra payload. There is an indication of even better results for applications on a bigger commercial jet. Presented methodology is also suitable for new winglet fixed geometry design or incorporating morphing technology. Aerodynamic balance force measurements showed that optimized winglets increased the wing effective aspect ratio (AReff), reducing the lift-induced drag, and maximum lift coefficient (CLmax). However, maximum lift to drag ratio (L/Dmax) was reduced on CL optimization region due to flow differences between optimization and wind tunnel conditions. Aerodynamic efficiency improvement was found for greater lift coefficients (CL). Reductions on wing tip vortex size and intensity due to winglet installation are seen on measured vorticity map, showing liftinduced drag reduction according to Maskells equation. Parabolic drag polar and Maskells equation methods were used for lift-induced drag calculation, using balance force and flowing mapping data for calculations. The presented concept showed considerable aircraft performance improvement, using a feasible device with greater certification ease than other morphing structures concepts, once the failure of this system would not compromise flight safety. Further investigation using computational fluid dynamics (CFD) and wind tunnel experiments is necessary to develop and test a functional camber morphing winglet device. / Regulamentações internacionais sobre emissões estão se tornando mais rigorosas. Metas de melhoria da eficiência de consumo de combustível demandam o desenvolvimento de tecnologias capazes de reduzir o consumo e emissões de gases. Estruturas capazes de adaptar sua forma aerodinâmica para condição ótima em voo trazem potencial de redução do arrasto e consumo de combustível da aeronave, minimizando as emissões de gases e gastos com combustível. Este estudo apresenta uma investigação sobre o impacto de uma winglet de camber variável em um jato executivo da categoria mid size utilizando simulação numérica e experimentos em túnel de vento. Um algoritmo genético foi usado para otimizar o camber das seções para diferentes fases de voo. As geometrias otimizadas reduziram o arrasto total em até 0.58% comparadas a winglet original na otimização de condição única, alcançando até 7% de redução no combustível consumido em missão típica. Essa melhoria de eficiência permite a aeronave carregar 900 kg de carga adicional, composta pelo sistema de adaptação e carga paga extra. Há uma indicação de resultados ainda melhores para aplicação em um jato comercial maior. A metodologia apresentada é apropriada para projeto de uma nova winglet de geometria fixa ou que incorpore a tecnologia de adaptação. Medidas de força com balança aerodinâmica mostraram que as winglets otimizadas aumentaram o alongamento efetivo da asa (AReff), reduzindo o arrasto induzido, e o coeficiente de sustentação máximo (CLmax). No entanto, a máxima razão entre sustentação e arrasto (L/Dmax) foi reduzida dentro do intervalo de CL da otimização devido as diferenças entre as condições do escoamento na otimização e no túnel de vento. Melhoria na eficiência aerodinâmica foi obtida para coeficientes de sustentação (CL) maiores. Reduções no tamanho e intensidade do vórtice de ponta de asa são vistas nos mapas de vorticidade medidos, mostrando redução do arrasto induzido segundo a equação de Maskell. Os métodos da polar de arrasto parabólica e da equação de Maskell foram usados para o cálculo do arrasto induzido, utilizando nos cálculos os dados de força da balança e o mapeamento do escoamento. O conceito apresentado mostrou melhoria considerável no desempenho da aeronave, utilizando um sistema factível e com maior facilidade para certificação que outros conceitos de estruturas adaptáveis, uma vez que a falha desse sistema não comprometeria a segurança do voo. Mais estudos são necessários para desenvolver e testar uma winglet de camber varável funcional.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:usp.br/oai:teses.usp.br:tde-05072019-144340 |
| Date | 18 March 2019 |
| Creators | Eguea, João Paulo |
| Contributors | Catalano, Fernando Martini |
| Publisher | Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP |
| Source Sets | Universidade de São Paulo |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | Dissertação de Mestrado |
| Format | application/pdf |
| Rights | Liberar o conteúdo para acesso público. |
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