Electroactive morphing for increasing the aerodynamic performances for the wings of the

future

By means of the RTRA projets EMMAV, DYNAMORPH and of the collaborative AIRBUS project EMORPH

Contribution: ISAE, ONERA, IMT, LAPLACE, IMFT

Présentation par Marianna Braza Directrice de Recherche CNRS

Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse

Multidisciplinary research platform www.smartwing.org

GDR Contrôle, 29 novembre 2016

En aéronautique: • Objectifs principaux à l’Horizon 2020 associés à la croissance importante du transport aérien: • Economie d’énergie (carburant) par amélioration de l’efficacité aérodynamique

• Renforcer le comportement de stabilité en vol en réduisant les instabilités nuisibles, en présence

notamment de phénomènes irréguliers (rafales, turbulence de niveau élevé, …)

• Réduction du bruit aérodynamique, notamment en phase de décollage et d’atterrissage • Réduction de la pollution :« Greening of aircraft Transport » : un objectif majeur du programmes

Européens CleanSky auquel participent l’ensemble de grands constructeurs en Aéronautique en synergie avec Instituts de recherche et des PME.

Instabilities occurring in aeronautics

Flutter phenomenon Buffeting

•Drag increase

•Vibrations

• materials fatigue

• Reduction of the range of

operation

Structure

destruction

•Structure enforcement

•Velocity reduction

Dynamic stall

Sudden lift loss

• Manoeuvrability limitation

•Velocity reduction

(helicopter)

Le Morphing Electroactif

Projects et chantier - Fondation STAE-RTRA

EMMAV – Electroactive Morphing for Micro-Airvehicles : 2010-2012

DYNAMORPH - Dynamic regimes electroactive morphing 1/11/12-30/12/15

Chantier SMARTWING : www.smartwing.org 2012-2014

Chantier SMS : Smart morphing & Sensing Oct. 2016 - Oct. 2018

Contribution de 6 Instituts

Coordination IMFT

OBJECTIFS et ASPECTS ORIGINAUX DANS L’ETAT DE L’ ART

LE MORPHING ELECTROACTIF

Optimisation de forme et du comportement vibratoire pour accroître les

performances aérodynamiques, contrôler des instabilités et réduire le

bruit

• Increase of aerodynamic efficiency in real time

• Low energetic cost : recuperation and redistribution of environning

vibratory energy by smart E-materials

• Replacement of hydraulic systems by electrical ones

• Loads distribution – manoeuvrability

• APPLICATIONS : drones, ailerons, flexible wings, UAV, rotor blades

flying wing, automobile (side-car parts), …

Le projet EMMAV – Electroactive Morphing for Micro-Airvehicles : 2010-2012

De l’échelle de micro-drone vers des volets/ailerons - prototypes d’échelle réduite

Sciences et Technologies pour l'Aéronautique et l'Espace

PREMIERE CARACTERISATION DE CONCEPTS D’ACTUATION INNOVANTS – MORPHING ELECTROACTIF

- Low actuation cost thanks to: Capacity of vibratory energy recuperation and restitution - Modification of the behavior laws of the E-material – solid structure

•SMA – Shape Memory Alloys

•Distributed small piezo-actuators, No-MEMS

•Electroactive Polymers

ECHELLES DE TEMPS

ET DE DIMENSIONS DE LA STRUCTURE SOLIDE

• échelle lente (ordre de quelques Hz) • moyenne (ordre de 100 Hz) • rapide (ordre de 200 à 500 Hz ou plus) : régime dynamique

Tailles des structures allant du drone à l’aileron du bord de fuite et vers l’aile déformable

Nanorotors coaxiaux:

caractérisation et optimisation

• Montage expérimental sur nano-balance de précision

• Calcul Navier-Stokes

Concept 2 commande

têtes de rotors par

muscles artificiels:

DYNAMORPH 2011-2014

Concept 1

morphing gouverne

EMMAV 2009-2012

Concept 3

commande par pales électroactives

DYNAMORPH

●II.Vers un démonstrateur de drone électroactivé

Simulation numérique de l’écoulement

au sein d’un doublet d’hélice contrarotatif (Z. Liu) Concept de birotor à poussée vectorielle

« Rosace V1 » (S. Prothin)

Z. Liu, JM. Moschetta, N. Chapman, R. Barenes and M. Xu. “Design of Test Benches for the Hovering Performance of Nano-Rotors”. International Journal of Micro Air Vehicle, 2010, 2(1): 17-32. Z. Liu, R. Albertani, JM. Moschetta, C. Thiyopas, and M. Xu. “An Experimental and Computational Evaluation of Small Micro Coaxial Rotor in Hover”. Journal of Aircraft, 2011, 48(1):220-229. S. Prothin, JM. Moschetta. “A Vectoring Thrust Coaxial Rotor for Micro Air Vehicle: Modeling, design and analysis”. Journal of the American Helicopter Society. 2013

BI-ROTOR A POUSSEE VECTORIELLE

SMA « Smart Servos » IPMC (Muscles artificiels-Polymères ioniques) et Bi-rotor à poussée vectorielle

Morphing of high lift flap

ULIV

IMFT

ELECTROACTIVE MORPHING

New aircraft generation with deformable wings and ailerons attending

optimal shape in real time

DLR –AIRBUS: Very Efficient Large Aircraft - VELA

Morphing Electroactif

Target focus configuration scheme ●- SHAPE CONTROLLER DESIGN

- FLIGHT CONTROL COMMANDS AND EVALUATION

- EXPERIMENTAL DEMONSTRATOR

a a ± e(t)

The optimal form is a function of a

and depends on M, Re flow regimes

a

Deformation is reached by

continuously distributed E-materials

according to optimum design shape

15

MORPHING OF A DEFORMABLE FLAP BY MEANS OF SMA

alliage Nickel- Titane (Ti-Ni). NITINOL

Voilure déformable : polymère

thermostable en PEEK (PolyEtherEtherKetone)

SMA heating by effect Joule .

Application of a continuous electric current

Chinaud et al, J. Fluids & Structures, Vol. 48, 2014

En3 Les Entretiens de Toulouse - 17 et 18 avril 2012 16

Choix final

Aide au choix des matériaux électroactifs pour le morphing

Scénario 1 : Privilégie la performance au détriment de R&D Scénario 2 : Privilégie les propriétés mécaniques au détriment de la Performance Scénario 3 : Privilégie la Fabrication au détriment des Propriétés mécaniques Scénario 4 : Privilégie l’Intégration au détriment de la Fabrication Scénario 5 : Privilégie la R&D au détriment l’Intégration Scénario 6 : scénario médian

5 Critères généralisés, pondérés en scénario : Performance, Propriétés mécaniques, Fabrication, Intégration, R&D

Référence : « Morphing winglets for aircraft multi-phase improvement » Narcis M.Ursache et al, Bristol University 7th American Institute of aeronautics and Astronautics ATIO Conférence 18-20 Septembre 2007 Belfast

Principe de déformation de la plaque Propriétés thermomécaniques des AMF

T0

L

δl T >T0

T0 : Température ambiante Après transformation de phase

Principe de fonctionnement des AMF

Début de la martensitique

Austénitique pure

Martensitique pure

Début de l’Austénitique

Hystérésis

E=40 GPa

E=70 GPa

•Une raideur contrôlable et contrôlante •Un amortissement variable en fonction de la phase

DDES Delayed Detached Eddy simulations - Re O (105-106)

Tomo-PIV

IMFT S4 wind tunnel

Contribution:

Service signaux-images IMFT

et

La Vision Co

Re=200 000

DDES-OES simulations

CONFIGURATION GENERIQUE DE VOLET DEFORMABLE

E. Deri et al, J. Fluids & Structures, Vol. 48, 2014

Impact of SMA morphing on the shear-layer structure and on the wake’s von Kármán

instability

Chinaud et al, J. Fluids & Structures, Vol. 48, 2014

Le projet DYNAMORPH – Dynamic regimes electroactive morphing: 2012-2015

Projet du chantier RTRA - SMARTWING

Different time scales

• slow (order of Hz) - high deformation : Shape-Memory Alloys (SMA)

• rapid (order of 100 - 1000 Hz) : piezo-actuators

Target:

Optimisation of lift/drag ratio : order of 5%

Aerodynamic noise reduction by means of « vortex breakdown »

of trailing-edge eddies - order of 7%

High-Lift « LEISA »-Airbus wing+flap ATAAC European program - UMAN, ONERA Reynolds number based on middle chord: 3,3 Million

A320

Utilisation de matériaux électroactifs intelligents - bioinspiration

www.smartwing.org

III. Association échelle lente – grandes déformations et échelle rapide – piezoactuateurs. PROTOTYPE D’HYBRIDATION AMF-PZT

PIEZOACTUATEURS PZT* – TRAILING-EDGE MORPHING

*Titano-Zirconate de Plomb ceramics (or LZT Lead Zirconate Titanate)

J. Scheller, PhD LAPLACE - IMFT

Electroactive Polymers PVDF - Polyvinylidene fluoride

Sensor faculty by electroactive polymers PVDF

Actuation of PVDF at the trailing edge of an aileron Caracterisation of electroactive properties for operation as active ‘feathers’

PVDF cilia past trailing edge –– S4 wind tunnel IMFT

TOMO-PIV Volet déformable - Re= 200 000 à 400 000 J. Fluids & Struct. 2014, Vol. 14

Trailing edge aileron’s vibrations by means of PZT piezoelectric actuators

Effet du morphing : mesures de vitesse par Imagerie de particules - PIV rapide J. Scheller, J.F. Rouchon, E. Duhayon, S. Cazin, M. Marchal, M. Braza - J. Fluids and Structures 2015, Volume 55

PIEZO-ACTUATION:

Breakdown of the trailing edge vortices and loss of coherence.

Decrease of the amplitudes regarding the corresponding

predominent frequencies

Vortex breakdown

Actuation Trailing-edge instability mode

Attenuation of the trailing-edge instability

THE ‘ROYAL SOCIETY’ MORPHING WING : HYBRIDIZATION : SMA - Piezoactuators

MFC

http://sse.royalsociety.org/2014/smart-wing-design/

piezoelectric fiber composites (pfc) macro fiber composite (mfc)

HYBRIDATION : Alliages à Mémoire de forme pour activation lente mais de grande cambrure avec piezoactivation de plus haute fréquence mais de petite déformation

Aile avec volet déformable et vibrant. Maquette LAPLACE - IMFT - Soufflerie S4. Images filmées par le CNRS https://lejournal.cnrs.fr/videos/les-ailes-du-futur Nov. 2015

J. Scheller et al, J. Fluids & Structures Vol. 55, 2015

Velocimetrie par Imagerie de Particules résolue en temps «Time-Resolved Particle Image Velocimetry TR-PIV » Permettant fréquence d’acquisition des champs de vitesse de 10 Khz

Illustration de l’expérience en soufflerie S4 de l’IMFT

OBJECTIVES:

Manipulation of the vortex structures near trailing edge in cruise speeds

Mach =0.7, a=7, Re=3 Million

Mach =0.7, a=7, Re=3 Million

High-Fidelity simulations

DDES-OES Turbulence

modelling

European program

“Transition location effects on schock-wave boundary layer interaction“

2013-2016

European program

“Transition location effects on schock-wave boundary layer interaction“

2013-2016

Modes 74 and 75 the filling of the shear-layer by smaller structures

Modes 82 and 83

Modification par E-morphing des formes de modes POD d’ordre élevé (analyse modale en

composantes principales) : Ces modes spatiaux utilisés pour produire un effet « turbo » via l’énergie

cinétique turbulente : mécanisme de forçage

Par le moyen de contrôle via la turbulence : « Through turbulence control »: matérialisation de

l’effet « eddy-blocking » - constriction par les (petits) tourbillons, capable de réduire l’épaisseur

des zones cisaillées et les maintenir fines : réduction du bruit aérodynamique et simultanément de

la traînée

Cettte action du morphing agit uniquement dans les régions d’intérêt et ne contamine pas le reste du

champ autour du corps solide.

Szubert, Hunt, Braza, J. Fluids & Structures, Vol. 55, 2015.

Stochastic forcing to keep thin the shear layer interfaces

Ssource

Szubert et al, J. Fluids and Structures 2015

Comparison of the phase-averaged velocity profiles accross the TNT (Turbulent/non-

Turbulent) interface : with (red) and without forcing by means of the higher POD modes

2 3

4 5

Red curves with forcing. Left: vorticity, right : velocity profiles

90 Hz 0 Hz

Rétrécissement du sillage = réduction de la résistance au vent - traînée de forme

Activation 60 Hz

Sans activation

Decrease of the wake’s width - drag reduction

Reduction of the wake’s width Thanks to eddy-blocking effect

II. MORPHING D’AILE D’AVION

III. PHASE DE VOL DE CROISIERE- GRANDE VITESSE

Phénomènes gouvernés par les ondes de choc:

• Suppression de l’instabilité du tremblement

à l’aide de l’optimisation de forme et du comportement vibratoire pour

accroître les performances aérodynamiques, réduire la traînée et le bruit

• Optimisation du rapport : (Portance/résistance au vent: traînée)

• Laminarité du fluide enveloppant l’aile d’avion : réduction de traînée -

aspect crucial pour vol de croisière à cause de la durée

●Optimisation de la partie arrière de l’aile d’avion de type A320 pour l’augmentation

des performances aérodynamiques en vol de croisière

43

Transonic buffet instability and interaction with von Kármán wake vortices

Simulations numériques en conditions réelles - phase de vol de croisière, nombre de Reynolds de = 21M et Mach=0.78

Utilisation de matériaux électroactifs intelligents - bioinspiration

Royal Society annual Exhibition *

1-6 Juillet 2014 : http://sse.royalsociety.org/2014/

• IMFT - Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse - UMR 5502 and

• LAPLACE - Laboratoire de Plasma et de Conversion d’Energie - UMR 5213

en collaboration avec l’Imperial College, Londres

http://www.cnrs.fr/insis/recherche/actualites/2014/morphing.htm

http://www. aerobuzz.fr/spip.php?breve3576

www.smartwing.org

Post-doctorants: E. Deri H. Ouvrard M. Chinaud T. Deloze I.Asproulias K.J. Rizzo Doctorants: J. Scheller DGA F. Grossi ANR D. Szubert DGA G. Jodin Bourses MENESR et ENS

More details in the film of the CNRS Journal dedicated to our studies: https://news.cnrs.fr/videos/the-wings-of-the-future

REALISATION OF THE ELECTROACTIVE MORPHING ACTIVITIES 2010-2016

Le chantier SMARTWING

Réalisations:

• Plate-forme multi-disciplinaire www.smartwing.org

• Projet DYNAMORPH

• Workshop ERCOFTAC « Fluid-Structure Interaction with immpact on industrial

applications »,

EDF - Chatou, 16-17 octobre 2014

• Congrès international ERCOFTAC « Unsteady separation in Fluid-Structure interaction »,

17-21 juin 2013

• 2 volumes dédiés au J. Fluids & Structures 2014 et 2015

• 1 ouvrage de synthèse publié par Springer : “Advances in Fluid-Structure Interaction”,

Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, Vol. 133

• Une trentaine de publications dans des journaux et ouvrages de synthèse

Le chantier SMS: Smart Morphing and Sensing

14/10/16 - 14/10/18

Les activités du chantier SMS

Etude de l’interaction dynamique entre un système de capteurs novateurs - multi-point

et du système d’actionneurs pour des échelles réelles d’aéronefs (drones, volets, pales,…)

• Renforcement de la synergie pluridisciplinaire entre les partenaires à l’aide de :

• Invitation de scientifiques de haut niveau

• Collaboration renforcée avec des Instituts de renommée tels que le MIT et Stanford

• Organisation d’un workshop annuel et du congrès international IUTAM 18-22/06 2018

sur le thème : Critical flow dynamics involving moving/deformable structures with

design applications

http://iutam.org/

TRAVELLING WAVES GENERATION BY E-MORPHING FOR DRAG REDUCTION and FEATHERS

MOTION CREATING VORTEX BREAKDOWN OF TRAILING-EDGE INSTABILITIES (noise

reduction) and ENHANCE CIRCULATION (increase of lift)

Hybridation among 3 classes of Electroactive Actuators Three time-scales

Target: Lift/Drag gain order of 6% Reduction of emissions Noise reduction: order of 7% Low energy cost of E-MORPHING

CONCLUSIONS/PERSPECTIVES

Le morphing bio-inspiré pour les aéronefs de prochaine génération,

Thématique menée en collaboration entre les cinq Instituts de Recherche

fortement soutenue par la Fondation STAE-RTRA par les projets EMMAV, DYNAMORPH et le

chantier SMARTWING.

Dans le contexte du nouveau chantier SMS « Smart Morphing and Sensing »

Interaction dynamique entre nouvelle génération de capteurs multi-points et actionneurs du

morphing.

Passage à échelles proches de la réalité industrielle, permettant :

• Une augmentation de la portance de l’ordre de 3% en phases de décollage et

d’atterrissage

• Une diminution de la traînée (résistance au vent) de l’ordre de 1 à 2% en phase de

croisière

• Une réduction du bruit de l’ordre de 5 à 8%

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION