MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798346394112
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31631304
■035    ▼a(MiAaPQ)PennState20300puh69
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a330
■1001  ▼aHart,  Pierce  Luc.
■24510▼aApplication  of  Partial-Pressure  Fields  as  a  Means  of  Accounting  for  Aircraft  Drag  Sources
■260    ▼a[Sl]▼bThe  Pennsylvania  State  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a235  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Schmitz,  Sven.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2024.
■520    ▼aBy  its  very  nature,  a  capitalist  economy  creates  pressure  on  industries  to  continuously  pursue  increased  profit  margins,  and  therefore  reduced  operational  expenses.  In  the  civil  aviation  sector,  operational  expenses  are  directly  tied  to  fuel  consumption,  leading  to  significant  research  interest  in  improved  efficiency  of  aircraft.  While  the  development  of  new  propulsion  systems  has  been  the  primary  contributor  to  decreased  fuel  burn,  improved  aerodynamics  has  also  been  a  factor.  In  the  last  two  decades,  the  financial  incentives  to  reduce  fuel  burn  have  been  accompanied  by  societal  and  governmental  pressures  to  make  aviation  "more  sustainable".  Policies  have  been  introduced  to  restrict  air  travel  within  France,  and  now  Spain,  introducing  bans  on  short-haul  flights.  With  fossil  fuel  prices  and  societal  awareness  at  an  all-time  high,  several  roadmaps  to  de-carbonize  aviation  have  been  laid  out  by  both  regulatory  bodies  and  industry  leaders.  As  with  efficiency  improvements  thus  far,  these  outlines  suggest  that  a  more  sustainable  future  will  be  dictated  by  propulsion,  and  more  exactly  the  propellant.  However,  optimized  aerodynamics  will  play  an  essential  role  in  achieving  the  demands  set  out.There  are  several  different  approaches  being  considered  to  improve  an  aircraft's  aerodynamic  performance,  yet  they  all  share  the  same  desired  performance  metric,  that  is  a  reduction  in  aerodynamic  drag  across  the  flight  envelope.  Proposed  innovative  redesigns  that  incorporate  novel  aerodynamic  concepts  come  in  two  forms,  whole-scale  approaches  such  as  the  redefinition  of  commercial  aircraft,  i.e.  the  blended-wing  body  and  the  transonic  truss-braced  wing,  or  more  modular  considerations  such  as  winglets,  natural  laminar-flow  technology,  boundary-layer  ingestion,  and  distributed  propulsion  configurations,  have  all  shown  various  levels  of  promise  relative  to  the  industry  baseline.To  make  an  adequate  assessment  of  these  technologies,  an  understanding  of  the  phenomena  creating  the  drag  produced  on  the  body  is  required.  So,  drag  decomposition  analysis  is  used,  providing  insight  that  allows  one  to  better  optimize  the  aerodynamics  under  consideration.Drag  decomposition  can  be  evaluated  from  two  perspectives.  A  near-field  decomposition  evaluates  the  aerodynamic  force  acting  over  the  skin  of  the  aircraft,  understood  physically  as  normal  or  shear  stress.  The  normal  stress  is  attributed  to  the  pressure  distribution,  while  the  shear  stress  is  due  to  the  skin  friction.  Alternatively,  one  may  evaluate  the  drag  in  the  far  field  using  a  momentum-based  control-volume  analysis.  In  far-field  methods,  data  in  the  wake  is  used  to  decompose  drag  into  its  physiological  sources:  lift-induced  drag  associated  with  vortex  shedding  and  profile  drag  which  contains  both  wave  drag  due  to  shock-waves  and  viscous  drag  from  the  boundary  layer.  Using  volumetric  separation,  it  is  theoretically  possible  to  further  decompose  these  drag  sources  entirely  into  viscous  and  wave  drag.  Because  of  their  ability  to  decompose  total  drag  into  components  associated  with  physiological  sources,  far-field  methods  have  been  preferred  to  a  near-field  stress  analysis.  Although  they  are  informative,  there  are  some  inherent  drawbacks  of  these  methods.  They  are  reliant  on  the  assumption  of  lightly-loaded  wings  and  have  been  derived  for  traditional  aircraft  where  the  nacelle  is  isolated  from  the  aerodynamic  body.  New  designs  such  as  boundary-layer  ingestion  concepts  have  highly  coupled  propulsion  systems,  where  it  can  also  be  difficult  to  distinguish  the  nacelle  from  the  airframe.  As  such,  these  methods  may  become  somewhat  obsolete.  Furthermore,  the  nature  of  far-field  control-volume  analyses  means  that  the  drag  sources  provided  are  single-value  integrals,  which  means  they  provide  limited  feedback  in  the  design  process.  These  integrals  are  inherently  difficult  to  solve  in  CFD  as  they  require  well-defined  meshes  both  in  the  near  field  and  the  wake,  which  significantly  increases  the  required  computational  resources.  Appropriate  implementation  of  far-field  methods  requires  expert  input  to  accurately  capture  each  drag  source.Due  to  these  limiting  factors,  a  near-field  decomposition  method  is  highly  desirable.  Therefore,  the  research  objective  of  this  thesis  is  to  develop  a  near-field  decomposition  method  relevant  to  commercial  transport  aircraft,  a  task  that  is  undertaken  through  application  of  partial-pressure  fields  (PPFs).  To  successfully  determine  the  feasibility  of  PPFs  as  an  analysis  tool  in  aircraft  design.  PPF  theory  is  applied  initially  to  two-dimensional  airfoils  in  subsonic  flow.  Current  theory  allows  one  to  split  pressure  into  an  Euler  component  associated  with  the  bulk  flow  and  a  dissipative  component  accounting  for  the  pressure  created  as  a  result  of  the  viscous  boundary  layer.  An  evaluation  of  the  drag  factor  of  each  PPF  is  made  in  subsonic  flow.  In  transonic  flow,  there  is  an  additional  phenomenon  to  consider:  shock  formation.  A  PPF  is  developed  to  adequately  capture  the  effects  of  the  shockwave.  Comparisons  are  made  to  state-of-the-art  far-field  decompositions  to  determine  the  validity  of  PPFs  in  such  flow  conditions.  The  final  contribution  of  two-dimensional  PPF  analysis  is  the  added  consideration  of  thrust  with  a  propulsive  PPF  generated  to  further  our  understanding  of  the  impact  of  airframe/propulsor  interactions.PPFs  are  extended  to  three-dimensional  subsonic  flows,  introducing  the  consideration  of  induced  drag,  an  inertial  effect  captured  by  the  Euler  PPF.  The  ONERA  M6  wing  is  used  as  an  initial  case  study  in  subsonic  flow  because  of  its  simple  geometry.  Comparisons  of  the  Euler  PPF  are  made  to  an  inviscid  polar  with  viscous  simulation  undertaken  at  two  Reynolds  numbers,  allowing  for  an  investigation  into  the  viscous-inviscid  interaction  and  its  impact  on  PPF  drag  book-keeping.  The  wing  polar  is  analyzed  in  both  subsonic  and  transonic  flow  where  the  PPF  results  are  compared  to  classical  far-field  methods.  Additional  perspective  is  gained  through  the  subsonic  analysis  of  the  Ventus-3  sailplane  wing.  This  case  study  provides  an  industrial  geometry  to  demonstrate  real-world  applicability  and  potential  usefulness  of  the  developed  theory.  The  subsonic  nature  of  sailplane  aerodynamics  means  that  a  comparison  between  the  Euler  drag  and  far-field  induced  drag  can  be  made,  thus  providing  further  insight  as  to  the  nature  of  viscous-inviscid  interactions.  Furthermore,  the  high  aspect  ratio  wing  means  that  classical  lifting-line  theory  may  also  be  used  to  estimate  the  induced  drag,  providing  an  effective  comparison  of  three  different  decomposition  tools.New  challenges  are  introduced  when  considering  transonic  three-dimensional  flows.  In  such  cases,  the  profile  drag  contains  both  the  wave  and  viscous  drag,  while  the  Euler  drag  includes  the  wave  and  induced  components.  To  avoid  using  volumetric  decompositions,  a  novel  method  to  determine  wave  drag  was  considered,  using  a  hybrid  near-field  and  far-field  approach.  This  method  was  applied  to  the  ONERA  M6  wing  and  the  NASA  Common  Research  Model  under  conditions  conducive  to  drag  formation  for  each  of  the  three  sources  associated  with  a  commercial  transport  aircraft  in  cruise.  Through  comparison  of  the  latter  study  to  previous  far-field  investigations,  additional  insight  is  gained  making  it  apparent  that  this  wave  drag  method  includes  an  interactive  drag  source,  leading  to  the  wave  drag  prediction  being  higher  than  that  of  methods  using  the  volumetric-based  alternative.  An  attempt  to  overcome  issues  associated  with  the  hybrid  approach  are  made  through  the  development  of  an  entirely  near-field  decomposition  method,  which  uses  classical  aerodynamic  theory.  The  method  is  applied  to  the  ONERA  M6  wing  and  shows  good  agreement  with  far-field  data  from  another  study.The  results  of  various  simulations  indicate  that  PPFs  may  be  highly  useful  in  the  future  of  aircraft  design.  They  can  be  used  to  provide  further  insight  as  to  the  sources  of  drag  on  an  aircraft,  whether  they  are  used  independently  or  in  tandem  with  far-field  methods.  PPFs  overcome  some  of  the  difficulties  associated  with  far-field  methods,  as  they  provide  an  entire  scalar  field  for  data  visualization  while  removing  the  requirement  for  a  highly-refined  wake.  PPFs  avoid  issues  with  the  separation  of  profile  drag  and  provide  separability  of  thrust  and  drag  sources  allowing  for  meaningful  thrust/drag  book-keeping  using  momentum-based  CFD  analyses.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
■650  4▼aAircraft
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■650  4▼aPressure  distribution
■650  4▼aReynolds  number
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■650  4▼aMathematics
■690    ▼a0204
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■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-05B.
■790    ▼a0176
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164431▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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