Sviluppo di modelli aerodinamici di ordine ridotto per l’analisi del buzz di alettone

This thesis work has been developed within an internship at the Aerodynamics Unit of Leonardo, Aircraft Division. The goal of the work is to build a reduced-order aerodynamics model, capable of catching dynamics, unsteady and nonlinear effects due to the movement of a lifting surface in the transonic regime, using a set of CFD simulations. The focus is on aileron buzz, which involves these effects. Moreover, its correct numerical simulation strongly depends on a proper nonlinear unsteady aerodynamics modelling. On a first phase, an aeroelastic model of the left half-wing of Lockheed P-80 aircraft has been produced and a small perturbations stability analysis has been performed, varying the linearizing point. This analysis showed the presence of the phenomenon on the model. On a second phase, a nonlinear reduced-order model has been produced, which gives the hinge moment time history due to an arbitrary movement of the aileron, using a convolution integral. The model has been validated, using some full-order CFD simulations, and then coupled with the aileron structural model to obtain the response of the aeroelastic system to arbitrary initial conditions. Results meet the stability boundaries and with the response of the full-order CFD model. We conclude that this nonlinear reduced-order aerodynamic model, coupled with the aileron structural model, is capable of predicting the limit cycle onset and its frequency and amplitude. At the end of this work, an analysis is presented about the M346 aircraft in a supersonic flight condition. Flight tests conducted in the same conditions showed high-frequency rudder oscillations. The aerodynamics of the vertical tail has been described, focusing on unsteady phenomena around the vertical tail and pointing out the differences between these and the control surface buzz previously described. A linear model is used to reproduce the rudder oscillation and results are in good agreement with experimental tests. They can be succesfully used for the analysis of new design solution to reduce the oscillations.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto durante uno stage presso l'unità organizzativa di aerodinamica della Divisione Velivoli di Leonardo. Obiettivo del lavoro è quello di costruire dei modelli aerodinamici ridotti che siano in grado di cogliere gli effetti dinamici, non lineari e instazionari, conseguenti ad un movimento di una superficie portante in regime transonico, a partire da un'opportuna base di simulazioni CFD. %In queste condizioni l'isteresi del flusso provoca un ritardo della risposta aerodinamica che può avere un effetto sulla stabilità aeroelastica. Inoltre, le non linearità legate alla formazione e al movimento delle onde d'urto e alla presenza di flussi separati, possono avere un effetto significativo sulle prestazioni. Il lavoro si concentra sull'analisi del buzz di alettone, fenomeno in cui questi effetti hanno un ruolo chiave e che può essere riprodotto attraverso la simulazione numerica solo con una loro corretta modellazione. In una prima fase, è stato costruito, a partire da un articolo disponibile in letteratura, un modello aeroelastico semplificato della semiala del velivolo Lockheed P-80, il primo ad aver esibito il fenomeno in volo, su cui è stata effettuata un'analisi di stabilità alle piccole perturbazioni, al variare della condizione di linearizzazione dell'aerodinamica. Tale analisi si è resa necessaria per determinare la potenziale insorgenza del fenomeno sul modello in esame. In una seconda fase, è stato costruito un modello aerodinamico ridotto e non lineare dell'alettone, che permette di ottenere il momento di cerniera conseguente ad un arbitraria storia temporale di deflessione della superficie mobile, attraverso un integrale di convoluzione. Il modello è stato validato mediante una serie di simulazioni CFD ed è stato, successivamente, accoppiato con il modello di dinamica strutturale dell'alettone per ottenere la risposta del sistema aeroelastico all'imposizione di opportune condizioni iniziali. I risultati dell'integrazione del sistema aeroelastico sono concordi con le analisi di stabilità e con la risposta del modello CFD completo. Questo permette di concludere che il modello aerodinamico ridotto, accoppiato con il modello strutturale dell'alettone, consentono di predire sia l'insorgenza del ciclo limite, sia le sue caratteristiche di ampiezza e frequenza. In conclusione del lavoro, viene presentata un'analisi svolta su un modello del velivolo M346, in una particolare condizione di volo supersonica, in cui sono state osservate delle oscillazioni ad alta frequenza del timone di direzione. Sono state descritte le caratteristiche del campo aerodinamico, focalizzando l'attenzione sui fenomeni instazionari che interessano la regione attorno al piano verticale, mettendo in luce le differenze fenomenologiche tra quanto osservato sul velivolo e il buzz di superficie mobile descritto in precedenza. I risultati ottenuti dall'applicazione dei modelli sviluppati in questo lavoro sono in accordo con quanto osservato durante le prove di volo e sono utilizzabili per valutare eventuali soluzioni progettuali per attenuare il fenomeno.