Model based airfoil circulation control for gust loading alleviation

In this work, a controller for gust load alleviation through circulation control is implemented for a flat-plate airfoil flying at subsonic speeds. We model the isolated gust with a 1-cosine vertical perturbation of different lengths. A potential flow model is developed to obtain an estimate of the aerodynamic gust loading. This model is compared to results in the literature to assess its reliability to predict gust loading. To develop a feedback control strategy to alleviate gust loading, we implement, as an actuator, a point source located near the trailing edge of the flat-plate airfoil. Consistently with potential flow theory, the point source performs load alleviation by satisfying the Kutta condition. Imposing the Kutta condition allows us to obtain a closed-form analytical expression for a feedback controller. The control loop is implemented by measuring the variations in the perceived angle of attack and gust flow velocity, feeding these quantities to the controller, it predicts the strength of the source required to satisfy the Kutta condition at the trailing edge of the flat-plate airfoil. To optimise the effectiveness of the controller, we search for the best location of the source. To better investigate the influence of the gust perturbation on the flat-plate airfoil, we use a vortex method simulation where the wake is modelled with a sequence of Lamb-Oseen vortex blobs. We validate our numerical simulations against results published in the literature. We implement our theoretical control strategy in the numerical simulations to assess its performance. Results in terms of lift and drag coefficients, vortex sheet evolution in the wake region, velocity field at the trailing edge and circulations of the airfoil bound vortices are compared for the uncontrolled and controlled cases. The obtained results show a significant alleviation of aerodynamic loading for the longest gust perturbation. Furthermore, the controller reduces the circulation variation and, therefore, reduces the strength of the vortices shed in the wake, which in turn inhibits the deformation of the vortex sheet in the wake region. For shorter gust lengths, the alleviation effect is less pronounced due to the fast dynamics of the flow perturbation. Considering the positive results obtained in this thesis, we envision, as a future work, the implementation of the derived control strategy to fully viscous numerical simulations.

In questo lavoro, viene ottenuto un controllore per la riduzione del carico di raffica per un profilo piatto che vola a velocità subsonica. La raffica isolata viene modellata con una perturbazione verticale del tipo 1-coseno di diversa lunghezza. Viene sviluppato un modello di flusso potenziale per ottenere una stima del carico aerodinamico della raffica. Questo modello viene validato con i risultati in letteratura. Per sviluppare una strategia di controllo per alleviare il carico, implementiamo, come attuatore, una sorgente puntiforme situata vicino al bordo d'uscita del profilo piatto. Coerentemente con la teoria del flusso potenziale, la sorgente puntiforme allevia il carico soddisfacendo la condizione di Kutta. L'imposizione della condizione di Kutta ci permette di ottenere un'espressione analitica in forma chiusa per un controllore a retroazione. Il controllo è ottenuto misurando le variazioni dell'angolo d'attacco percepito e della velocità della raffica, passando queste quantità al controllore, questo predice l'intensità della sorgente necessaria per soddisfare la condizione di Kutta. Per ottimizzare l'efficacia del controllore, cerchiamo la posizione migliore della sorgente. Per studiare meglio l'influenza della raffica sul profilo piatto, utilizziamo una simulazione con il metodo dei vortici, in cui la scia è modellata con una sequenza di vortici Lamb-Oseen. Convalidiamo le nostre simulazioni numeriche con i risultati in letteratura. Implementiamo la nostra strategia di controllo nelle simulazioni numeriche per valutarne le prestazioni. I risultati in termini di portanza e resistenza, evoluzione di scia, campo di velocità sul bordo d'uscita sono confrontati per i casi non controllati e controllati. I risultati ottenuti mostrano una significativa riduzione del carico aerodinamico per la raffica più lunga. Inoltre, il controllore riduce la variazione della circolazione e, quindi, la forza dei vortici nella scia, che a sua volta inibisce la deformazione della stessa. Per raffiche di lunghezza inferiore, l'effetto di attenuazione è meno pronunciato a causa della rapida perturbazione. Considerando i positivi risultati ottenuti in questa tesi, prevediamo, come lavoro futuro, l'implementazione della strategia di controllo derivata in simulazioni numeriche pienamente viscose.