Passive morphing airfoil designed for gust alleviation

This thesis work presents the design and optimization of a morphing profile, which is able to deform harmonically, whose aim is the alleviation of a sinusoidal gust. The study is purely two-dimensional (all three dimensions effects are neglected) and based in the frequency domain. The Kussner and Schwartz frequency domain model is applied to describe the unsteady aerodynamics. Concerning the elastic and inertial properties, a “Fishbone” profile was chosen, described by means of a Euler-Bernoulli beam finite elements. Optimizations are aimed at minimizing the overall aerodynamic load, considering the interaction of the gust loads and the ones deriving from the airfoil deformation, at various reduced frequencies; both single objective optimization on the lift and multi-objective on lift and pitching moment are carried out. The application of pressure chambers in order to adaptively modify the chordwise bending stiffness of the structure and to improve its performances is also taken into account.

In questa tesi è presentata la realizzazione e ottimizzazione di un profilo aerodinamico morphing, in grado di deformarsi armonicamente, finalizzato alla riduzione dell’effetto di una raffica sinusoidale. Lo studio è puramente bidimensionale (tutti gli effetti 3D sono trascurati) e condotto nel dominio della frequenza. Il modello utilizzato per descrivere l’aerodinamica instazionaria è quello di Kussner e Schwarz, nel dominio della frequenza. Per quanto riguarda le caratteristiche elastiche e inerziali, il profilo scelto è di tipo “Fishbone” e viene descritto con un modello a elementi finiti di tipo “trave di Eulero-Bernoulli”. Le ottimizzazioni hanno come funzione obiettivo il carico aerodinamico totale, considerando il contributo della raffica e della deformazione del profilo, a varie frequenze ridotte e sono condotte sia considerando solo la forza aerodinamica sia considerando forza e momento (ottimizzazione multiobiettivo). Viene anche studiata la possibile applicazione di camere in pressione lungo la corda per modificare in modo adattivo la rigidezza flessionale in corda del profilo e migliorare l’effetto sulla raffica.