Αεροδυναμική απόδοση αεροχημάτων σε ταχύτητες πτήσης που αναφέρονται σε συμπιεστή ροή

Abstract

The dissertation focuses on the investigation of the aerodynamic performance of aircraft operating in the compressible flow regime. It constitutes a comprehensive technological investigation, including (1) investigation of the riblet geometries passive flow control method, using high-fidelity computational methods, (2) development of surrogate modelling techniques to incorporate the effect of riblets in conventional RANS CFD computations of aircraft geometries, (3) analysis and evaluation of various aerodynamic design methods for innovative aircraft geometries that operate at subsonic, supersonic, and hypersonic speeds and (4) application of riblet geometries to three innovative reference aircraft, which were designed using the above methods, to further enhance their aerodynamic performance. The research conducted falls within the domain of applied aerodynamics and is supported by a wide range of tools, ensuring a holistic examination of the different topics. Specifically, the research employed: (1) analytical and semi-empirical methods for the preliminary design and evaluation of the reference aircraft, (2) various CFD methods (RANS, LES, and Embedded LES), (3) optimization techniques using genetic algorithms, and (4) analytical and computational methods to analyse the acoustic footprint of an aircraft. The accuracy of the employed CFD methods was verified by comparing them with experimental measurements for each of the three flow regimes. The desire for ever-faster means of transportation and the recent technological advancements in aircraft related topics have led to the revaluation of past design concepts and the development of new ones. Together with the growing environmental consciousness in Western societies, particularly related to the impact of air transports, the development of future aircraft is intrinsically linked to the development of methods that improve aerodynamic efficiency and consequently reduce emissions. This can be achieved through holistic approaches to the aircraft design and optimization processes and targeted application of flow control methods, such as riblets. An extensive literature review highlighted numerous studies on both innovative aircraft geometries and methods to reduce aerodynamic drag. Despite contemporary research, a clear gap was identified in the following areas: (1) the systematic characterization of the contribution of numerous design parameters for a low-boom supersonic aircraft, (2) the application of modern and realistic approaches in the design/optimization of hypersonic waverider aircraft, accounting for the viscous effects, (3) the detailed computational analysis of riblet geometry parameters using hybrid CFD methods (Embedded LES), and (4) the application of realistic and optimized riblet geometries to innovative aircraft platforms operating in the compressible flow regime. The unique aspects of this research and contributions to the field include (1)the use of the hybrid Embedded LES method for the simulation of riblet geometries was proposed and investigated, (2) the effect of the width-height ratio (s⁄h) of riblets for a given groove cross-sectional area (l_g^+) was studied by means of CFD, (3) a surrogate model was developed that enables the modelling of the effect of riblets of constant and optimally varying dimensions in RANS analyses, (4) the most important design parameters of an LBSSA aircraft were systematically documented and the effect the variation of each parameter individually has on the aerodynamic and acoustic performance was quantified, (5) the contribution of viscous effects to the design/optimization process of waverider aircraft using two different modeling methods was evaluated, as well as the performance of these methods, (6) an overall waverider aircraft design and optimization framework was developed, enabling the combination of different design (fixed or variable Mach number, viscosity effects modeling) and optimization (Nelder-Mead method, genetic algorithm) methods, (7) the use of Shock Bump (SB) geometries for stability control of waverider aircraft, instead of conventional control surfaces, was proposed and their efficiency was studied and (8) the effect of riblets on the aerodynamic performance improvement of three innovative reference aircraft, with Box-Wing, LBSSA and waverider configurations, was evaluated and the potential gain of their use at high subsonic and supersonic velocities was demonstrated. In summary, the thesis focuses on the study of riblet geometries, as it is an innovative method of passive flow control and can be applied to aircraft with various innovative and non-innovative configurations. Their application can potentially reduce the drag of the aircraft, thus improving its aerodynamic characteristics. Furthermore, different design and optimisation methods for innovative aircraft configurations operating in the compressible flow regime are considered, and the resulting reference platforms are evaluated in terms of their aerodynamic characteristics. The combination of these innovative configurations with the targeted local application of riblets can lead to significantly improved aerodynamic performance and reduced emissions, from the aircraft of the future.

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στη μελέτη της αεροδυναμικής απόδοσης αεροχημάτων τα οποία επιχειρούν σε υψηλές ταχύτητες, όπου η ροή είναι συμπιεστή. Η διατριβή αποτελεί μια πλήρη τεχνολογική έρευνα όπου πραγματοποιείται, (1) διερεύνηση με υπολογιστικά εργαλεία υψηλής ακρίβειας, της μεθόδου παθητικού ελέγχου ροής με χρήση των γεωμετριών riblets, (2) ανάπτυξη τεχνικών μοντελοποίησης της επίδρασης των riblets για χρήση σε συμβατικές υπολογιστικές μοντελοποιήσεις γεωμετριών αεροσκαφών, (3) ανάλυση και αξιολόγηση των διαφορετικών μεθόδων αεροδυναμικού σχεδιασμού για καινοτόμες γεωμετρίες αεροσκαφών που επιχειρούν σε υποηχητική, υπερηχητική και υπερ-υπερηχητική ταχύτητα και (4) εφαρμογή των γεωμετριών riblets σε τρία καινοτόμα αεροσκάφη αναφοράς που εξήχθησαν με την χρήση των παραπάνω μεθόδων, για την περαιτέρω βελτίωση της αεροδυναμικής τους απόδοσης. Η έρευνα που πραγματοποιήθηκε εμπίπτει στην κατηγορία της εφαρμοσμένης αεροδυναμικής και υποστηρίζεται από ένα ευρύ φάσμα εργαλείων, διασφαλίζονται έτσι την ολιστική εξέταση των διαφόρων υπό μελέτη θεμάτων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν (1) αναλυτικές και ημι-εμπειρικές μέθοδοι κατά των σχεδιασμό και την προκαταρκτική αξιολόγηση των αεροσκαφών αναφοράς, (2) διάφορες μέθοδοι υπολογιστικής μοντελοποίησης CFD (RANS, LES και Embedded LES), (3) τεχνικές βελτιστοποίησης με χρήση γενετικών αλγορίθμων, και (4) αναλυτικές και υπολογιστικές μέθοδοι ανάλυσης του ηχητικού αποτυπώματος ενός αεροσκάφους. Η ακρίβεια των υπολογιστικών μεθόδων CFD, επαληθεύτηκε μέσω της σύγκρισής τους με πειραματικές μετρήσεις, για κάθε ένα από τα τρία εύρη ταχυτήτων. Η επιθυμία των ανθρώπων για ολοένα και ταχύτερο τρόπο μετακίνησης, καθώς και η ανάπτυξη της τεχνολογίας των αεροσκαφών τις τελευταίες δεκαετίες, οδήγησε στην επανεξέταση σχεδιαστικών τάσεων του παρελθόντος, καθώς και στην ανάπτυξη νέων. Σε συνδυασμό με την αυξανόμενη περιβαλλοντική συνείδηση των δυτικών κοινωνιών, ειδικά στο κομμάτι των αερομεταφορών, η ανάπτυξη νέων αεροσκαφών για το μέλλον είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την μελέτη των τρόπων βελτίωσης της αεροδυναμικής τους απόδοσης, και κατά συνέπεια της μείωσης των εκπομπών ρύπων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί τόσο μέσω ολιστικών προσεγγίσεων στον σχεδιασμό και την βελτιστοποίηση των αεροσκαφών, όσο και με την στοχευμένη εφαρμογή μεθόδων ελέγχου ροής, όπως τα riblets. H εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση ανέδειξε την ύπαρξη αρκετών μελετών τόσο στο κομμάτι των καινοτόμων γεωμετριών αεροσκαφών, όσο και των μεθόδων μείωσης της αεροδυναμικής αντίστασης. Παρόλες τις σύγχρονες έρευνες που πραγματοποιούνται, ένα εμφανές βιβλιογραφικό κενό εντοπίζεται (1) στο κομμάτι της συστηματική καταγραφής της συνεισφοράς πλήθους σχεδιαστικών παραμέτρων ενός υπερηχητικού αεροσκάφους χαμηλού ηχητικού αποτυπώματος, (2) στην εφαρμογή σύγχρονων και ρεαλιστικών προσεγγίσεων στην σχεδίαση/βελτιστοποίηση υπερ-υπερηχητικών αεροσκαφών waverider, λαμβάνοντας υπόψιν την επίδραση των φαινομένων ιξώδους, (3) στην λεπτομερή υπολογιστική ανάλυση των παραμέτρων των γεωμετριών riblet με υβριδικές μεθόδους CFD (Embedded LES), και (4) στην εφαρμογή ρεαλιστικών και βέλτιστων γεωμετριών riblets σε καινοτόμες πλατφόρμες αεροσκαφών που επιχειρούν σε συνθήκες συμπιεστής ροής. Η προσφορά στην επιστημονική κοινότητα και η πρωτοτυπία της παρούσας διατριβής εντοπίζονται στο ότι (1) προτάθηκε και διερευνήθηκε η χρήση της υβριδικής μεθόδου Embedded LES για την προσομοίωση γεωμετριών riblets, (2) μελετήθηκε υπολογιστικά η επίδραση του λόγου πλάτους-ύψους (s⁄h) των riblets για δεδομένο εμβαδό εγκάρσιας επιφάνειας αυλάκωσης (l_g^+), (3) αναπτύχθηκε surrogate model που δύναται να μοντελοποιήσει την επίδραση riblets σταθερών αλλά και βέλτιστα μεταβαλλόμενων διαστάσεων σε RANS αναλύσεις, (4) πραγματοποιήθηκε συστηματική καταγραφή των σημαντικότερων σχεδιαστικών παραμέτρων ενός LBSSA αεροσκάφους και ποσοτικοποιήθηκε η επίδραση που έχει κάθε μια από αυτές ξεχωριστά στην αεροδυναμική και ακουστική απόδοσή του, (5) αξιολογήθηκε η συνεισφορά των φαινομένων ιξώδους στην διαδικασία σχεδίασης/βελτιστοποίηση αεροσκαφών waverider με δύο διαφορετικές μεθόδους μοντελοποίησης, καθώς και η απόδοσή αυτών, (6) αναπτύχθηκε ένα συνολικό πλαίσιο σχεδίασης και βελτιστοποίησης αεροσκαφών waverider, όπου συνδυάζονται διαφορετικές μέθοδοι σχεδίασης (σταθερός ή μεταβλητός αριθμός Mach, μοντελοποίηση φαινομένων ιξώδους) και βελτιστοποίησης (μέθοδος Nelder-Mead, γενετικός αλγόριθμος), (7) προτάθηκε η χρήση των γεωμετριών Shock Bump (SB) για τον έλεγχο της ευστάθειας αεροσκαφών waverider, αντί των συμβατικών επιφανειών ελέγχου και μελετήθηκε η αποδοτικότητά τους και (8) αξιολογήθηκε η επίδραση των riblets στην βελτίωση της αεροδυναμικής απόδοσης τριών καινοτόμων αεροσκαφών αναφοράς, διαμόρφωσης Box-Wing, LBSSA και waverider, και καταδείχθηκε το δυνητικό κέρδος χρήσης τους σε υψηλές υποηχητικές αλλά και υπερηχητικές ταχύτητες. Συνοψίζοντας, η διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των γεωμετριών riblets, καθώς αποτελεί μια καινοτόμα μέθοδο παθητικού ελέγχου ροής και δύναται να εφαρμοστεί σε αεροσκάφη διαφόρων γεωμετριών, καινοτόμων και μη. Η εφαρμογή τους μπορεί υπό συνθήκες να μειώσει της οπισθέλκουσα του αεροσκάφους, βελτιώνοντας έτσι τα αεροδυναμικά χαρακτηριστικά του. Ακόμη, εξετάζονται διαφορετικές μέθοδοι σχεδίασης και βελτιστοποίησης καινοτόμων γεωμετριών αεροσκαφών που επιχειρούν σε συνθήκες συμπιεστής ροής, ενώ οι παραγόμενες πλατφόρμες αναφοράς αξιολογούνται ως προς τα αεροδυναμικά τους χαρακτηριστικά. Ο συνδυασμός των καινοτόμων αυτών γεωμετριών με την στοχευμένη τοπική εφαρμογή των riblets, δύναται να οδηγήσει σε σημαντικά βελτιωμένη αεροδυναμική απόδοση και μειωμένες εκπομπές ρύπων, από τα αεροσκάφη του μέλλοντος.