Numerical investigation of canard-wing-tail aerodynamic interference in a three-surface aircraft configuration

This thesis aims to examine the aerodynamic behaviour of an aircraft setup, more specifically the AETHER experimental model, with three lifting surfaces, namely the canard, the wing, and the horizontal tail. The study focuses on the aerodynamic interactions among these surfaces and measures how their position, along with control surface movement, affects the global performance. To achieve these results has been used the mid-fidelity solver DUST. This tool simulates complex designs with surface-panel, vortex lattice, and lifting-line models. Before starting the main analysis, a preparatory study was needed. This process involved checking for temporal convergence and analyzing sensitivity to spatial discretization to ensure numerical accuracy. The research is divided into two main types of analyses. The first examines how the movement of the canard elevator affects the wing's aerodynamic response, focusing on changes in lift, drag, and polar efficiency. The second one examines the canard's position in both longitudinal and vertical directions relative to the main wing. It highlights how interference effects, mainly downwash and upwash interactions, change the effective angle of attack and overall efficiency. The results show that the canard's vertical and horizontal positions significantly affect lift distribution and induced drag. A reduced vertical separation modifies the mutual induction between the lifting surfaces, altering the wing's effective angle of attack. Depending on the specific geometric configuration and trim condition, this interaction may lead to variations in lift generation and induced drag levels. Conversely, increasing the vertical gap allows the wing to operate in a comparatively less perturbed flow field. The study indicates that configurations with three surfaces are sensitive to their geometric arrangement. This provides clear guidelines for early design and aerodynamic adjustments.

Questa tesi si propone di esaminare il comportamento aerodinamico di un velivolo, più specificamente del modello sperimentale AETHER, con tre superfici portanti: il canard, l'ala e la coda orizzontale. Lo studio si concentra sulle interazioni aerodinamiche tra queste superfici e misura come la loro posizione, insieme al movimento delle superfici di controllo, influenzi le prestazioni globali. Per ottenere questo tipo di risultati è stato utilizzato il solutore di media fedeltà DUST. Questo strumento simula geometrie complesse con metodo a pannelli, vortex lattice, e modelli basati sulla lifting-line. Prima di iniziare l'analisi principale, è stato necessario uno studio preliminare. Questo processo ha comportato la verifica della convergenza temporale e l'analisi della sensibilità alla discretizzazione spaziale per garantire l'accuratezza numerica. La ricerca si divide in due tipi principali di analisi. La prima esamina come il movimento dell'elevatore del canard influenzi la risposta aerodinamica dell'ala, concentrandosi sulle variazioni di portanza, resistenza ed efficienza polare. La seconda esamina la posizione del canard sia in direzione longitudinale che verticale rispetto all'ala principale. Evidenzia come gli effetti di interferenza, principalmente le interazioni downwash e upwash, modifichino l'angolo di attacco effettivo e l'efficienza complessiva. I risultati mostrano che le posizioni verticale e orizzontale del canard influenzano significativamente la distribuzione della portanza e la resistenza indotta. Una ridotta separazione verticale modifica l'induzione reciproca tra le superfici portanti, alterando l'angolo di attacco effettivo dell'ala. A seconda della specifica configurazione geometrica e delle condizioni di trim, questa interazione può portare a variazioni nella generazione di portanza e nei livelli di resistenza indotta. Al contrario, l'aumento della distanza verticale consente all'ala di operare in un campo di flusso relativamente meno perturbato. Lo studio indica che le configurazioni con tre superfici sono sensibili alla loro disposizione geometrica. Ciò fornisce linee guida chiare per la progettazione iniziale e gli aggiustamenti aerodinamici.