Unsteady loads on an airfoil during the deployment of a flap

77 Pages·2014·1.54 MB·Spanish

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Universidad Carlos III de Madrid
Bachelor Thesis
Aerospace Engineering
Unsteady loads on an airfoil
during the deployment of a flap
Author: Thesis Advisor:
Enrique Manuel
Herna´ndez-Hurtado Garc´ıa-Villalba
Esquilas Navaridas
Spring 2014

Para mi t´ıo Juanjo
Agradecimientos:
Me gustar´ıa expresar mi agradecimiento muy especialmente hacia Manolo y
´
Oscar por haberme dado la oportunidad de coaborar con el Departamento, y por
su ayuda y continuo inter´es desde el principio. Tambi´en quisiera acordarme de
forma muy afectuosa de Manu por los buenos ratos que hemos pasado.
Agradecerle el haberme ayudado tanto con todo, y felicitarle por el gran trabajo
que est´a realizando. Quisiera acordarme tambi´en de todo el resto del
Departamento de Ingenier´ıa Aeroespacial, y Biom´edica. No he parado de
aprender y me hab´eis hecho sentir muy a gusto. Me alegro mucho de compartir
estos meses con todos. Tambi´en acordarme de mi familia por su apoyo constante.
Y los m´as importantes, los que no pueden estar con nosotros.

Abstract
The effect of suddenly deflecting a trailing-edge flap on an airfoil is studied us-
ing a validated, two-dimensional Navier-Stokes code which utilizes the Immersed-
Boundary Method. The flight regime for the airfoil lies in the ultra-low Reynolds
number range (Re ∼ 1000). The angle of deflection approaches a step function
to simulate the sudden deflection of the flap. The effects of varying both the
flap-angle amplitude and the speed of deflection are also investigated. A model
is developed using the obtained data in order to predict the lift response for any
flap-angle evolution. The model is in agreement with the simulation data.

Bachelor Thesis
Universidad Carlos III de Madrid
Unsteady loads on an airfoil
during the deployment of a flap
Enrique Hern´andez-Hurtado Esquilas
Thesis Advisor: Manuel Garc´ıa-Villalba Navaridas

UC3M Unsteady loads on an airfoil during the deployment of a flap
Contents
1 Introduction 5
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 State of the art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 Methodology 11
2.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 The Navier-Stokes solver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 The Immersed-Boundary Method . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.3 Code validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.4 Parallelization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Computational set-up 16
3.1 Finding the optimum resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.1.1 Aerodynamic forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.2 Velocity profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.3 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Flap-deflection evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Base case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Cases of study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4 Results 25
4.1 Effect of amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 Effect of speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Model development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3.1 General formulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.2 Parameter determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5 Conclusions 45
5.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Spring 2014 1 Enrique Herna´ndez-Hurtado Esquilas
UC3M Unsteady loads on an airfoil during the deployment of a flap
5.2 Future research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Appendix A Project budget 48
Appendix B Airfoil analysis at ultra-low Reynolds number 50
B.1 Airfoil shape. Bibliographic study . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
B.1.1 Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
B.1.2 Camber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
B.1.3 Position of maximum camber . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
B.2 Analysis of plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
B.3 NACA and ENRI comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
B.4 First conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
B.5 Note on the validity of XFLR5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Spring 2014 2 Enrique Herna´ndez-Hurtado Esquilas