Numerical parametric analysis and experimental investigation of MFC-actuated trailing edges

This study describes the steady effects on the lift and moment coefficients of a plate mounted on the airfoil trailing edge and actuated with MFC piezoelectric devices. The problem is analysed with both numerical calculations and experiments. The structural model is developed with both linear and nonlinear 2D beam models; the nonlinearities take into account large beam rotations. A finite- difference scheme is developed for the linear beam model, and a shooting scheme for the nonlinear one. XFoil is employed to solve the aerodynamic problem for its fast computation times, accuracy, and widespread use. The definition of the lift coefficient derivative with respect to the actuation force allows us to describe the actuation efficacy by means of a scalar value. The behaviour of this scalar value as function of both structural and aerodynamic parameters is modelled with approxi- mate, closed form scaling laws when possible. A rather simple but accurate scaling law can be envis- agedfortheinviscid,uncoupledresults. Theviscousonescanbedescribedasfunctionsofthebound- ary layer properties over the actuation system. The coupled formulation suggests that the aeroelastic coupling decreases the actuation efficacy and its effect can be modelled as a power law of both flight velocity and actuator length. The parameter space analysis is followed by two simplified real case ap- plications, in order to give a quantitative insight of the actuation system potentialities to the reader. The construction of three actuation systems with composite materials is described, highlighting the chosen lamination process. The three actuation systems are tested in a wind tunnel, and the results are compared with the numerical simulations.

Questo studio descrive gli effetti stazionari sul coefficiente di portanza e momento di una piastra montata sul bordo di uscita di profili alari, attuata con MFC. Il problema è analizzato sia tramite si- mulazioni numeriche che esperimenti. Il modello strutturale è sviluppato tramite modelli lineari e non lineari di travi 2D; la non linearità tiene in conto le grandi rotazioni. È sviluppato un metodo alle differenze finite per la trave lineare, e un metodo di shooting per quella non lineare. XFoil viene utilizzato come solutore aerodinamico per i brevi tempi di calcolo, l’accuratezza, e l’ampio utilizzo. La definizione della derivata del coefficiente di portanza rispetto alla forza di attuazione permette di descrivere l’efficacia dell’attuazione con un valore scalare. Il comportamento di questo scalare al variare dei parametri strutturali ed aerodinamici è modellato con leggi di scalatura approssimate e in forma chiusa quando possibile. Il modello inviscido a spostamento imposto mostra una descrizione comeleggediscalaturaabbastanzasemplicemaaccurata. Ilmodelloviscosopuòesseredescrittoco- mefunzionedelleproprietàdellostratolimitesull’attuatore. Laformulazioneaeroelasticasuggerisce che l’accoppiamento aeroelastico diminuisca l’efficacia dell’attuazione, e possa esser modellato con una legge di potenza, rispetto sia alla velocità di volo che alla lunghezza del sistema di attuazione. L’analisi dello spazio dei parametri è seguita da due applicazioni semplificate a casi reali, allo scopo didareallettoreunacaratterizzazionequantitativadellepotenzialitàdelsistemadiattuazione. Viene successivamente descritta la produzione di tre sistemi di attuazione con materiali compositi, sottoli- nendo i processi di laminazione adottati. I tre sistemi di attuazione sono successivamente testati in una galleria del vento, e i risultati sperimentali sono paragonati a simulazioni numeriche.