Aerodynamic load predictions of Wing-In-Ground effect craft using singularity methods

Abstract

This thesis investigates the aerodynamic performance of wing-in-ground effect craft (WIG) wing configurations using the vortex lattice method implemented in Athena Vortex Lattice (AVL). The study focuses on evaluating the influence of geometric design parameters, particularly endplate size and wing dihedral, on lift, drag, and aerodynamic efficiency in ground effect conditions. The sensitivity analysis begins with a baseline seagull-type wing configuration, selected as it represents a modern WIG concept. The chosen airfoil for the wing is a thin NACA2406 airfoil. This baseline geometry is modified through the gradual addition of endplates and variations in dihedral to improve lift characteristics. The endplated configuration is then compared against the baseline wing and later further enhanced through genetic algorithm-based optimization to maximize aerodynamic efficiency.

A preliminary comparison between AVL predictions and available experimental data is conducted to assess the predictive capability of the method in ground effect scenarios. Due to the limited availability of experimental data for comparable high aspect ratio wings, the comparison is used to evaluate general trends rather than to provide strict validation. While some deviations between AVL and experimental results are observed, the overall trends show agreement, indicating that AVL can be used for comparative aerodynamic analyses in ground effect conditions.

A parametric sensitivity study is performed to investigate the effects of dihedral angle, endplate geometry, and angle of attack both in and out of ground effect. The results show that endplates enhance lift across all investigated angles of attack and reduce induced drag. With greater than zero angles of attack the endplated wing reach better aerodynamic efficiencies, especially in close ground clearance. The viscous drag values otherwise missed by vortex lattice methods are implemented in AVL through a quadratic fitting of the lift-drag polar to evaluate the profile drag per section.

Based on the sensitivity study, an optimized wing configuration is developed using a genetic algorithm. The optimization process varies geometric parameters: sweep, dihedral, and endplate length, with the objective of maximizing aerodynamic efficiency. The results show a performance improvement compared to the baseline configuration of about 6% in aerodynamic efficiency. With the changed sweep and dihedral distribution, the resulting geometry resembles a bird-like wing. The improvement of the efficiency and the easiness of the implementation shows the effectiveness of combining singularity method-based aerodynamic modelling with optimization techniques in early-stage WIG design.

Overall, the thesis provides analysis of the design parameters in ground effect and provides yet not existing aerodynamical data about a seagull-type wing in ground effect. The methodologies used are described as transparently as possible, for the future studies to implement the same methodology as efficiently as possible.

Tässä diplomityössä tutkitaan maaefektialusten (WIG, Wing-in-ground effect craft) siipikonfiguraatioiden aerodynaamista suorituskykyä käyttäen Athena Vortex Lattice (AVL) -ohjelmaa, joka perustuu Vortex Lattice Method (VLM) -menetelmään, joka taasen hyödyntää singulariteetteja. Työssä keskitytään siihen miten geometriset suunnitteluparametrit, erityisesti päätylevyn koko ja siiven dihedraali, vaikuttavat nostovoimaan, vastukseen ja aerodynaamiseen hyötysuhteeseen maaefektiolosuhteissa. Tutkimuksen lähtökohtana toimii lokinsiipi-tyyppinen siipi, joka on valittu työhön, koska se muistuttaa modernin maaefektialuskonseptin siipeä. Siivelle valittu siipiprofiili on ohut NACA 2406. Tutkimuksessa tähän siipeen lisätään päätylevy asteittain ja sen pituuden vaikutusta tarkastellaan vertikaalissa asennossa nostovoiman tuoton kannalta. Lisäksi siiven dihedraali kulmia muutetaan järjestelmällisesti, tarkoituksena tarkastella siiven nostovoiman tuottokykyä. Tämän jälkeen parhaan nostovoiman tuottavaa päätylevyllistä siipeä verrataan lähtökohtana olleeseen siipeen, ja näiden suorituskykyä verrataan eri korkeuksilla, sekä eri kohtauskulmissa. Lopuksi päätylevyllinen siipi optimoidaan vielä geneettisellä algoritmilla, paremman liitoluvun saavuttamiseksi.

AVL-laskelmien ja saatavilla olevien kokeellisten tietojen välillä tehdään alustava vertailu, jotta voidaan arvioida menetelmän ennustettavuutta maavaikutustilanteissa. Vertailukelpoisia korkean sivusuhteen siipiä koskevia kokeellisia tietoja on saatavilla vain rajoitetusti. Tästä syystä vertailua käytetään metodin yleisen tarkkuuden hahmottamiseksi, eikä aidon validoinnin suorittamiseen. Vaikka AVL:n ja kokeellisten tulosten välillä havaitaan joitakin poikkeamia, yleiset trendit ovat yhdenmukaisia, mikä osoittaa, että AVL soveltuu vertaileviin aerodynaamisiin analyyseihin maaefektiolosuhteissa.

Työssä suoritetaan suunnitteluparametrien tutkimus, jossa selvitetään dihedraalikulman, päätylevyn geometrian ja kohtauskulman vaikutuksia sekä maaefektissä, että sen ulkopuolella. Tulokset osoittavat, että päätylevyt parantavat nostovoimaa kaikilla tutkituilla kohtauskulmilla ja vähentävät indusoitua vastusta. Siipien vertailussa selviää, että kun kohtauskulma on suurempi kuin nolla, päätylevyillä varustettu siipi saavuttaa paremman aerodynaamisen hyötysuhteen kuin päätylevytön siipi. Tämä ero voimistuu erityisesti pienillä maavaroilla. Profiilivastus, joka jää huomiotta viskoosittomissa ratkaisumenetelmissä, otetaan AVL:ssä huomioon lisäämällä ulkoisesta lähteestä nosto- ja vastuskertoimet. Näin kokonaisvastusta voidaan arvioida paremmin.

Päätylevyillä varustetun siiven kehitystä jatketaan ja siitä kehitetään optimoitu versio geneettisen algoritmin avulla. Optimointiprosessissa muuttujina ovat siiven nuolikulmat, dihedraalit sekä päätylevyn pituus, ja tavoitteena on aerodynaamisen hyötysuhteen maksimointi. Tulokset osoittavat suorituskyvyn parantuneen noin 6 % aerodynaamisen hyötysuhteen osalta verrattuna ”manuaalisesti” optimoituun siipeen. Muutetun nuolikulman ja dihedraalin jakauman ansiosta tuloksena oleva geometria muistuttaa linnun siipeä. Liitoluvun parantuminen ja optimoinnin toteutuksen helppous osoittavat, kuinka tehokasta on yhdistää singulariteetti menetelmään perustuva aerodynaaminen mallinnus optimointitekniikoihin WIG alusten varhaisessa suunnittelussa.

Kokonaisuudessaan opinnäytetyö sisältää analyysin suunnitteluparametreista maaefektissä ja tarjoaa uutta, aiemmin puuttunutta aerodynaamista tietoa lokinsiipi-tyyppisestä siivestä maaefektissä. Käytetyt menetelmät on kuvattu mahdollisimman selkeästi, jotta tulevissa tutkimuksissa voitaisiin soveltaa samaa menetelmää mahdollisimman tehokkaasti.