AERODYNAMIC OPTIMIZATION OF V-FORMATION FLIGHT IN UAV SWARMS. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Ms thesis) Thesis_g202393430.pdf Restricted to Repository staff only until 29 December 2026. Download (9MB)

Arabic Abstract

تلعب الطائرات بدون طيار دوراً مهماً في العمليات الجوية الحديثة، بدءاً من مهام الاستطلاع والمراقبة وصولاً إلى الرصد البيئي. ومع ذلك، تظل محدودية القدرة على التحمل وكفاءة استهلاك الوقود من أبرز التحديات التي تواجه هذه الطائرات في المهام طويلة المدى. واستلهاماً من الطيور المهاجرة، يوفّر الطيران بتشكيل حرف V فرصة واعدة للاستفادة من التداخلات الانسيابية بهدف تقليل الجر المستحث وتحسين الكفاءة الإيروديناميكية. وعلى الرغم من دراسة هذا الأسلوب مع الطائرات المأهولة والنماذج المبسطة للطائرات بدون طيار، إلا أن تطبيقه على أسراب الطائرات الجناحية الثابتة الواقعية، مثل طائرة بيرقدار TB2، لا يزال محدوداً.} يقدّم هذا البحث دراسة تفصيلية للفوائد الإيروديناميكية للطيران بتشكيل V لسرب من طائرات TB2 باستخدام محاكاة ديناميكا الموائع الحاسوبية عالية الدقة (CFD) عبر برنامج ANSYS Fluent. وقد تم اعتماد نموذج هندسي مبسّط لطائرة بيرقدار TB2 كمنصة مرجعية. جرى حل معادلات رينولدز المتوسطة زمنياً (RANS) باستخدام نموذج الاضطراب SST k--omega على شبكات Poly-Hexcore، مع التحقق من استقلالية الشبكة وصحة الإعدادات العددية بالاعتماد على بيانات تجريبية عند أعداد رينولدز عالية. كما أُجريت دراسة تصميم تجريبي منهجية (DOE) شملت زوايا هجوم alpha = 0, 2^\circ,\, 4^\circ$ وسرعات طيران $U = 36.01$ و$60$ م/ث عند ارتفاع تحليق نموذجي يبلغ 5500 م، بالإضافة إلى معاملات إزاحة لا بعدية $(\Delta x/b,\Delta y/b,\Delta z/b)$ حيث يمثّل $b$ باع الجناح. وحول التكوين الأكثر وعداً، أُضيفت دراسات إضافية بين زوايا هجوم $3.75^\circ$ و$5^\circ$ مع تحسين الإزاحة العمودية عند إزاحة جانبية ثابتة لدراسة اعتماد الموضع الرأسي الأمثل على زاوية الهجوم. تُظهر النتائج أن الطائرات التابعة يمكنها الاستفادة بفعالية من دوامات طرف جناح الطائرة القائدة عندما توضع قليلاً داخل مسار الجناح وأعلى مستوى جناحها. وعند الإزاحة الجانبية المثلى $\Delta y/b = -0.0375$، تم تحديد موضع رأسي أمثل يعتمد على زاوية الهجوم، حيث ينتقل من $\Delta z/b = 0.000$ عند $\alpha=0^\circ$ إلى $0.075$ عند $2^\circ$، ثم $0.100$ عند $4^\circ$، وصولاً إلى $0.125$ عند $5^\circ$. وعند هذه المواضع المثلى، تتحسن نسبة الرفع إلى الجر للطائرة التابعة بنسبة تتراوح بين 20\% و45\% مع انخفاض في معامل الجر يصل إلى 25\% مقارنة بحالة الطيران الفردي. وتتحقق أفضل حالة عند $\alpha=5^\circ$ و$U=60$ م/ث مع الإزاحات $\Delta x/b=1.25$ و$\Delta y/b=-0.0375$ و$\Delta z/b=0.125$، حيث ترتفع نسبة الرفع إلى الجر بمقدار 44.71\% وينخفض الجر بنسبة 25.51\%. ولتحقيق تقييم أشمل لقابلية توسيع الفوائد، تم تمديد الدراسة لتشمل تشكيلات متعددة الصفوف تصل إلى ثلاثة صفوف من الطائرات التابعة. وأظهرت النتائج أن مكاسب الكفاءة الإيروديناميكية تستمر عبر الصفوف الخلفية، مع تحقيق أعلى المكاسب في الصف الثاني وظهور تراجع طفيف في الصفوف اللاحقة. تؤكد هذه النتائج أن فوائد الطيران بتشكيل V لا تقتصر على طائرة تابعة واحدة، بل يمكن الحفاظ عليها في تشكيلات أعمق ضمن ظروف تشغيل عملية. وبذلك توفّر هذه الدراسة إرشادات كمية لمسافات التشكيل المثلى، وتبرز الاعتماد القوي للموضع الرأسي الأمثل على زاوية الهجوم، وتمهّد الطريق لأعمال مستقبلية في مجال التحكم بالتشكيل المعتمد على خصائص الدوامات ولأسراب أكبر من الطائرات بدون طيار.

English Abstract

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) play a vital role in modern aerospace operations, ranging from reconnaissance and surveillance to environmental monitoring. However, their endurance and fuel efficiency remain key limitations in long-duration missions. Inspired by migratory birds, V-formation flight offers a promising solution by exploiting wake interactions to reduce induced drag and improve aerodynamic efficiency. While formation flight has been studied in manned aircraft and simplified UAV models, its application to realistic fixed-wing UAV swarms such as the Bayraktar TB2 remains limited. This research investigates the aerodynamic benefits of V-formation flight in TB2- class UAV swarms using high-fidelity Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in ANSYS Fluent. A geometrically simplified model of the Bayraktar TB2 MALE UAV is employed as the reference platform. Steady Reynolds-Averaged Navier– Stokes equations with the SST k–ω turbulence model are solved on poly-hexcore meshes, with grid-independence demonstrated and the numerical setup validated against high- Reynolds- number experimental data. A systematic Design of Experiments is carried out over angles of attack α = 0◦, 2◦, 4◦, flight speeds U = 36.01 m/s and 60 m/s at a representative cruise altitude of 5500 m, and non-dimensional formation spacings (Δx/b,Δy/b,Δz/b), where b is the wingspan. Around the most promising configuration, additional sweeps between α = 3.75◦ and 5◦ with refined vertical offsets at fixed lateral position are performed to map how the optimal follower height depends on angle of attack. The results show that follower UAVs can exploit the leader’s wake to achieve substantial performance gains when placed slightly inboard and above the leader’s wing plane. For the refined lateral offset Δy/b = −0.0375, an AoA-dependent optimal vertical spacing is identified, with the best positions shifting from Δz/b = 0.000 at α = 0◦ to 0.075 at 2◦, 0.100 at 4◦, and 0.125 at 5◦. At these sweet-spot positions, the follower lift-to-drag ratio improves by approximately 20–45% and drag is reduced by up to 25% relative to a single-UAV baseline. The most favourable case occurs at α = 5◦, U = 60 m/s, with offsets Δx/b = 1.25, Δy/b = −0.0375, and Δz/b = 0.125, where the follower experiences a 44.71% increase in lift-to-drag ratio and a 25.51% reduction in drag compared to solo flight. To assess the scalability of formation benefits, the analysis is extended to multi-row formations comprising up to three follower rows. The results demonstrate that aerodynamic efficiency gains persist across downstream rows, with peak benefits observed for the second row and mild diminishing returns for subsequent rows. These findings confirm that formation-flight gains are not limited to a single follower and can be sustained in deeper formations under practical operating conditions. Overall, the thesis provides quantitative guidelines for formation spacing, highlights the strong dependence of optimal vertical positioning on angle of attack, and establishes a foundation for future work on wake-aware formation control and larger UAV swarms.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Aerospace
Department:	College of Engineering and Physics > Aerospace Engineering
Committee Advisor:	AL-FIFI, SALMAN
Committee Members:	Qasem, Naef and Alam, Mohammad Irfan
Depositing User:	ZIYAD MUJA MULLA (g202393430)
Date Deposited:	29 Dec 2025 12:11
Last Modified:	29 Dec 2025 12:11
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143941