Ein modulares Verfahren für die numerische aeroelastische Analyse von Luftfahrzeugen

Braun, Carsten; Ballmann, Josef

doi:HT015495263

Ein modulares Verfahren für die numerische aeroelastische Analyse von Luftfahrzeugen = A modular method for the numerical aeroelastic analysis of air vehicles

Braun, Carsten (Author)

2008

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Carsten Braun

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2008

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ballmann, Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2007-04-13

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-22657
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/50006/files/Braun_Carsten.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aeroelastizität (Genormte SW) ; Numerisches Verfahren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Numerische Aeroelastik (frei) ; partitionierte Verfahren (frei) ; multidisziplinäre Simulation (frei) ; Aeroelasticity (frei) ; Computational Aeroelasticity (frei) ; Partitioned Methods (frei) ; Multidisciplinary Simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Um die Wirtschaftlichkeit und Flugsicherheit eines neuen Flugzeuges gewährleisten zu können, muss schon beim Entwurf die Wechselwirkung zwischen der elastischen Flugzeugstruktur und der umströmenden Luft berücksichtigt werden. Die zuverlässige Erfassung von Effekten, welche aus dieser Interaktion von Strömung und Struktur entstehen, setzt die simultane Lösung der beschreibenden Differentialgleichungen für die beiden Teilgebiete voraus. Da Fluggeschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit zu erheblichen strömungsinduzierten, nichtlinearen Effekten führen, ist die Verwendung der Navier-Stokes Gleichungen zur Modellierung der kompressiblen, viskosen Gasströmung notwendig. Das Berechnungsverfahren SOFIA (Solid-Fluid-Interaction) löst die aeroelastischen Gleichungen im Zeitbereich unter Berücksichtigung der strömungsseitigen Nichtlinearitäten und ermöglicht damit die Analyse statischer und dynamischer aeroelastischer Phänomene bei transsonischen Anströmgeschwindigkeiten. Der Programmkern des Verfahrens SOFIA ist das Aeroelastic Coupling Module (ACM), welches im Rahmen der vorliegenden Dissertation entwickelt und angewandt wurde. Das ACM erlaubt den modularen Aufbau von SOFIA aus verschiedenen Euler- oder Navier-Stokes-basierten Strömungslösern und FE-basierten Strukturlösern. Allgemein definierte Schnittstellen garantieren dabei die Austauschbarkeit der verwendeten Teilfeldlöser. Das Kopplungsmodul ACM koordiniert die Abfolge der Löseraufrufe für statische und dynamische aeroelastische Simulationen im Sinne eines partitionierten Verfahrens. Unterschiedliche verbesserte „lose“ Kopplungsstrategien mit Prädiktor-/Korrektor-Schritten und starke Kopplungsstrategien stehen zur Verfügung. Diese Strategien zielen auf eine Minimierung des numerischen Fehlers ab, welcher aufgrund eines inkorrekten Energietransfers bei vielen losen Kopplungsstrategien auftritt. Die verbesserten, gestaffelten Kopplungsstrategien bieten einen guten Kompromiss zwischen der benötigten Rechenzeit und der Genauigkeit bzw. Stabilität des partitionierten Verfahrens und ermöglichen damit die Anwendung von SOFIA auf realitätsnahe Probleme. Das ACM bietet eine lokale, Knoten-basierte Methode für den Austausch von Lasten und Verformungen zwischen den diskretisierten Teilfeldern auch für nicht übereinstimmende Oberflächennetze. Diese Methode erfüllt die Bedingung des Erhalts der mechanischen Energie und der Einhaltung des globalen Kraft- und Momentengleichgewichts. Der angewandte Algorithmus für den Last- und Verformungstransfer ermöglicht den Austausch von Kopplungsinformationen zwischen dem diskretisierten Strömungsgebiet und einem optional aus Balken-, Schalen- oder Volumenelementen aufgebauten Strukturmodell. Die Validierung von SOFIA für statische und dynamische aeroelastische Anwendungen wurde anhand des Vergleichs von numerischen Ergebnissen und experimentellen Daten für einen gepfeilten Modellflügel in subsonischer Strömung durchgeführt. Dabei wurde für alle Testfälle im Hinblick auf globale, aerodynamische Kräfte und Momente, Druckverteilungen und Modelldeformationen eine gute Übereinstimmung gefunden. SOFIA wurde im Rahmen des Projektes HiReTT (High Reynolds Number Tools and Techniques) eingesetzt, um den Einfluss von Modelldeformationen auf die aerodynamische Charakteristik von Windkanalmodellen bei Experimenten mit hohen Reynoldszahlen zu untersuchen. Die Untersuchungen zeigten, dass die auftretenden Deformationen die Modellumströmung erheblich beeinflussen und experimentelle Daten ohne Kenntnis der zugrunde liegenden Modelldeformationen nicht interpretiert werden können. Nach der umfangreichen Validierung für subsonische und transsonische aeroelastische Probleme wurde SOFIA für die Auslegung und die Analyse eines Windkanalmodells für transsonische aerostrukturdynamische Experimente bei realistischen Reynoldszahlen in einem kryogenen Windkanal verwendet. Ziel der Anwendung von SOFIA war die Bewertung des statischen und dynamischen aeroelastischen Verhaltens unter systematischer Variation von Anstellwinkel, Reynoldszahl, Machzahl und Kanaldruck. Die dabei gesammelten, umfangreichen Daten wurden unter anderem verwendet, um das Testprogramm für die geplanten, kostenintensiven Windkanalexperimente zu optimieren.

In order to assure economic efficiency and operational safety of new aircrafts, it is necessary to accurately consider the interaction of the elastic aircraft structure and the airflow in early stages of design. For a reliable prediction of effects arising from the interaction of the fluid and the structure the simultaneous solution of the governing equations for both domains is essential. Since flight speeds close to the speed of sound lead to significant flow-induced non-linear effects it is necessary to apply the Navier-Stokes equations in order to model the compressible, viscous fluid flow. The computational method SOFIA (Solid-Fluid-Interaction) solves the system of aeroelastic equations in the time-domain under consideration of flow induced non-linearities and facilitates the analysis of static and dynamic aeroelastic effects especially in the transonic flow regime. The core of SOFIA is the Aeroelastic Coupling Module (ACM), which has been developed and applied in the framework of the present dissertation. The ACM allows for a modularized assembly of SOFIA from different Euler- or Navier-Stokes-based flow solvers and FE-based structural solvers. Generalized program interfaces ensure the exchangeability of the codes for the different fields. The coupling module ACM coordinates the sequence of solver calls for static and dynamic aeroelastic computations in the sense of a partitioned procedure. Different improved “loose” strategies with prediction-/correction-steps and strong coupling strategies are provided. These strategies are aiming for a minimization of numerical errors resulting from inadequate energy transfer which is often inherent in basic loose coupling strategies. The improved staggered strategies allow for a good compromise between numerical effort and accuracy and stability of the partitioned procedure and thus facilitate the application of SOFIA to realistic problems. The ACM provides a local node-based method to exchange loads and displacements between the discretized sub-domains even with non-matching interface meshes. This method fulfils the requirement to conserve mechanical energy as well as global forces and moments. The applied load/displacement transfer algorithm is capable of exchanging coupling information between the discretized fluid domain and a structural model, which optionally consists of beam, shell, or volume elements. The validation of SOFIA for steady and unsteady aeroelastic applications has been performed by comparison of numerical results with experimental data for a swept wing model in subsonic flow. A good agreement for all test cases in terms of global aerodynamic forces and moments, pressure distributions and model deformations was found. SOFIA has been applied in the framework of the project HiReTT (High Reynolds Number Tools and Techniques) to investigate the influence of wing deformations on the aerodynamic characteristics of wind tunnel models in high Reynolds number experiments. The investigations revealed, that occurring wing deformations can significantly alter the flowfield and that experimental data can not be interpreted correctly without knowledge about the underlying model deformation. After extensive validation for subsonic and transonic aeroelastic problems, SOFIA has been used for the design and analysis of a wind tunnel model for transonic aero-structural dynamics experiments at realistic flight Reynolds numbers in a cryogenic wind tunnel. The main focus of SOFIA’s application was the assessment of the steady and unsteady aeroelastic behaviour under systematic variation of angle of attack, Reynolds number, Mach number and wind tunnel pressure. The extensive set of data collected during the numerical investigations was used to optimize the test programme for the planned, cost-intensive wind tunnel experiments.

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