Low-order models for the fast aerodynamic analysis of unconventional aircraft tail configuration : assessment and improvement

The assessment of the aerodynamic performances of complex aircraft configurations is one of the most challenging task in aeronautic applications. Computational models based on the potential flow assumption are cheap to evaluate, but present several accuracy limitations arising from simplifying hypotheses about the physics of the flow. On the other side, the advantages offered by these cheap numerical methods are fundamental to a considerable number of applications e.g., optimization. To improve the accuracy of the classical nonlinear lifting line formulation, Goitia and Sandìn propose an ad-hoc correction. Namely, they apply a corrective functional for improving predictions in case of highly swept wings, yet maintaining a cheap computational cost. This Thesis is devoted to assessing the effectiveness of the sweep correction against a large high-fidelity database concerning the aerodynamic performance of unconventional tail configurations for the next generation of commercial aircraft. The assessment allows to characterize the reliability of the corrected model with respect to several geometries, revealing strengths and weaknesses. The reference test cases challenge the targeted methodology, exposing a critical aspect related to the assignment of a prescribed, arbitrary, lift coefficient distribution along the wing span. In this work, we propose an heuristic correction to the Goitia and Sandìn model. The correction is inspired by the physics of the problem, and eventually leads to overcoming some drawbacks of the original method.

La stima delle performance aerodinamiche di configurazioni geometriche complesse è uno degli aspetti più impegnativi in applicazioni aeronautiche. I modelli computazionali basati sulle assunzioni di flussi a potenziale sono economici da utilizzare ma presentano delle limitazioni sull'accuratezza della soluzione che nascono dalle ipotesi stesse utilizzate per descrivere la fisica del problema. D'altra parte, i vantaggi offerti da questi modelli numerici sono fondamentali per un vasto numero di applicazioni, ad esempio l'ottimizzazione. Per migliorare l'accuratezza della classica formulazione non lineare della linea portante, Goitia and Sandìn hanno proposto una correzione ad-hoc. In particolare, essa si applica per migliorare i risultati di ali con configurazione a freccia mantenendo un ridotto costo computazionale. Questa tesi è quindi dedicata a valutare l'efficacia della correzione di freccia rispetto ad un grande database di risultati ad alta fedeltà riguardanti le performances aerodinamiche di configurazioni di coda non convenzionali per aerei commerciali di prossima generazione. La valutazione permette di caratterizzare l'affidabilità del modello corretto rispetto a svariate geometrie, svelandone punti di forza e debolezza. I casi di riferimento mettono alla prova la metodologia, esponendo un aspetto critico relativo alla definizione di una distribuzione di carico arbitraria in apertura d'ala. In questo lavoro proponiamo una correzione euristica del modello di Goitia e Sandìn. La correzione è ispirata dalla fisica del problema e, in ultima analisi, permette di superare alcuni aspetti critici del modello originale.