Morphing study by integrated electroactive actuator-sensors for the optimization of aerodynamic performance

Abstract :

For the next 20 years, the quantity of air travelers in the world is expected to rise to almost the double of the current number. This growth is followed by the eminent increase of greenhouse gas emissions linked to climate change. Another obvious consequence is the higher operation cost for airline companies. These factors explain the need for better efficiency for modern aircrafts. Among these studies there is the Smart Morphing and Sensing European Project. The goal of the project is to design a system of electroactive actuators for two different time scales. Shape Memory Alloys (SMA) are used for low-frequency camber control of an A320 wing prototype at reduced scale, developed by LAPLACE, while piezoelectric based actuators are responsible for high frequency vibration of its trailing-edge. The experiments have been carried out in the S4 subsonic wind-tunnel at the IMFT facilities in Toulouse to analyze shear-layer dynamics. TR-PIV results were acquired at Reynolds Number of 700k and 1 million. In addition, lift and unsteady pressure measurements were obtained at different upstream velocities. Spectral analysis were computed to investigate the effects of morphing on vortices manipulation and turbulence reduction.

Résumé en français :

Au cours des 20 prochaines années, le nombre de voyageurs aériens dans le monde devrait presque doubler par rapport au nombre actuel. Cette croissance est suivie par l’augmentation éminente des émissions de gaz à effet de serre liées au changement climatique. Une autre conséquence évidente est l’augmentation des coûts d’exploitation des compagnies aériennes. Ces facteurs expliquent la nécessité d’améliorer l’efficacité des avions modernes. Parmi ces études, il y a le projet européen Smart Morphing and Sensing. L’objectif de ce projet est de concevoir un système d’actionneurs électroactifs pour deux échelles de temps différentes. Des alliages à mémoire de forme (SMA) sont utilisés pour le contrôle de la cambrure à basse fréquence d’un prototype d’aile A320 à échelle réduite, développé par LAPLACE, tandis que des actionneurs piézoélectriques sont responsables de la vibration à haute fréquence de son bord de fuite. Les expériences ont été réalisées dans la soufflerie subsonique S4 des installations IMFT à Toulouse pour analyser la dynamique de la couche de cisaillement. Les résultats de TR-PIV ont été acquis à des nombres de Reynolds de 700k et 1 million. De plus, des mesures de portance et de pression instationnaire ont été obtenues à différentes vitesses amont. Une analyse spectrale a été calculée pour étudier les effets du morphing sur la manipulation des tourbillons et la réduction de la turbulence.