Optimization and Experimental Characterization of Leading Edge Tubercles in Transonic Flow

Abstract

Tubercles are bio-inspired leading edge protuberances used as a passive flow control device that can improve the performance of a wing by altering its flow field. Many investigations have been performed to study the effect of tubercles in low subsonic incompressible flow showing improvements in post-stall performance. Recently, based on the idea that a spanwise variation of pressure may delay the onset of sonic flow and improve the drag divergence Mach number, tubercled wings were investigated in transonic flow. It was found that along the pressure variation there is a change in shockwave formation that may lead to drag improvements. Being able to increase the drag divergence Mach number can lead to a drag decrease for a specific velocity and, for example, for a transport aircraft this implies lower fuel consumption. To date, determination of optimal tubercle shapes in transonic flow has not been performed. In this study, tubercles are optimized using computational fluid dynamics with adjoints providing sensitivity information to a gradient based optimizer. Results from the optimization process and a post-optimal parametric study provided insights into the optimal tubercle shape, flow behavior, and impact on drag performance at low angles of attack. Those numerical findings are further supported by an experimental characterization of the drag force and surface pressure using an indraft transient polysonic wind tunnel. An optimal tubercle shape was found to experimentally improve the drag up to 6% over the same wing with a straight leading edge at very low angles of attack and in transonic flow.

Les tubercules sont des protubérances sur le bord d'attaque d'une aile. Ils sont un dispositif de contrôle passif d'écoulement qui peuvent améliorer la performance de l'aile. Plusieurs recherches ont été effectuées afin d'étudier l'effet de tubercules dans un écoulement incompressible et subsonique et elles ont démontré une amélioration de la performance après le décrochage. Récemment, basé sur l'idée qu'une variation de pression dans la direction de l'envergure peut créer un délai de l'apparition d'écoulement supersonique, les tubercules ont été étudiés en écoulement transsonique. Il a été trouvé qu'avec la variation de pression il a un changement dans l'apparition de l'onde de choc emmenant une amélioration potentielle de la trainée. Pouvoir augmenter le nombre de Mach où la trainée commence à croitre exponentiellement implique une réduction de la trainée à une vitesse spécifique, ce qui pourrait, par exemple, être utile pour réduire la consommation d'essence d'un avion de transport.

Jusqu'à présent, l'optimisation de la forme des tubercules en écoulement transsonique n'a pas encore été effectuée. Dans le cadre de cette étude, les tubercules sont optimisés à l'aide d'analyses numériques de dynamique des fluides et à l'aide de la méthode adjointe. Celle-ci fournit l'analyse du degré de variation à un algorithme d'optimisation à gradient. Les résultats de l'optimisation et d'une analyse paramétrique ont donnés des indices à propos de la forme optimale, des nouvelles caractéristiques de l'écoulement et de l'effet sur la performance en terme de trainée à petits angles d'attaque. Les résultats numériques sont ensuite appuyés par des résultats expérimentaux. Ceux-ci inclus des mesures de la force de trainée et de la pression à la surface obtenue dans une soufflerie à succion trisonique. Il a été trouvé que la forme optimale des tubercules peut améliorer la trainée de 6% à petits angles d'attaque et dans un écoulement transsonique lorsque comparée avec la même aile sans tubercules.