Eine numerische Methode zur Bestimmung erweiterter flugdynamischer Derivativa durch aerostrukturdynamische Simulation

Hanke, Michael; Ballmann, Josef

doi:25772

Eine numerische Methode zur Bestimmung erweiterter flugdynamischer Derivativa durch aerostrukturdynamische Simulation

Hanke, Michael (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Michael Hanke

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangX, 109 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ballmann, Josef (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-07-31

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-8666
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59517/files/Hanke_Michael.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Tragflügelumströmung (Genormte SW) ; Aeroelastizität (Genormte SW) ; Fluid-Struktur-Wechselwirkung (Genormte SW) ; Numerische Strömungssimulation (Genormte SW) ; Physik (frei) ; CFD (frei) ; CAS (frei) ; Aeroelastik (frei) ; Strukturdynamik (frei) ; FLOWer (frei) ; Flugdynamik (frei) ; Derivativa (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ausgehend von einem Finite-Volumen-Verfahren zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen für Strömungen kompressibler Fluide und einem Finite-Elemente-Verfahren mit quasi-eindimensionalen Timoshenko-Balkenelementen für die Strukturdynamik wird eine numerische Methode für gekoppelte aeroelastische Probleme von Fluggeräten entwickelt. Mit ihr können erweiterte aerodynamische Derivativa durch direkte aerodynamische Simulationsrechnungen gewonnen werden. Stabilitätsderivativa sind Ableitungen integraler aerodynamischer Kenngrößen wie Auftriebs- und Widerstandsbeiwert nach signifikanten generalisierten Koordinaten und Geschwindigkeiten, die ein elastisch deformierbares Leichtbau-Fluggerät charakterisieren. Das numerische Verfahren ermöglicht Erkenntnisse über die Anfachung von Eigenschwingungsformen der Struktur durch Kopplung mit instationären Strömungsvorgängen. Die aeroelastischen Stabilitätsderivativa sind, besonders für komplexe große Konfigurationen, experimentell nur unter großem Aufwand zu bestimmen. Hier können rechnergestützte Simulationsverfahren den Entwurf optimierter Strukturen und Bauweisen in der Bandbreite der Flugstabilität begünstigen. Strömungsseitig baut das gekoppelte Verfahren auf dem DLR FLOWer-Code auf, der die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen mittels zentraler Differenzen auf Mehrblock-Gittern löst. Verschiedene numerische Standardverfahren für die Modellierung von Überschallströmungen, turbulenten und instationären Strömungen werden eingesetzt und teilweise, u.a. um instationäre Ein-/Ausströmbedingungen, erweitert. Die quasi-implizite Zeitintegration, die auf dem Dual-Time-Stepping von Jameson (Pseudozeitschrittverfahren) beruht, wird in dieser Arbeit mit dem genannten Finite-Elemente-Verfahren synchronisiert, das auch die Grundlage für den Gitterverformungsalgorithmus bildet, um den der FLOWer-Code in der Arbeit erweitert wurde. An Beispielen wird gezeigt, dass eine explizite algorithmische Kopplung der beiden Verfahren realisiert wurde, die instationäre Strömungs-Struktur-Vorgänge konsistent erfasst. Die neuen Verfahrensmodule wurden zunächst anhand von Literaturbeispielen einzeln überprüft. Die gekoppelte Methode wurde durch Vergleich mit Versuchsergebnissen validiert, die mit einem elastischen Rechteckflügelmodell im SFB 401 „Strömungsbeeinflussung und Strömungs-Struktur-Wechselwirkung an Tragflügeln”, RWTH Aachen, gewonnen wurden. Darauf wurden direkte aerostrukturdynamische numerische Simulationen für generische Flugkörper (Drehkörper mit Flügeln) durchgeführt, die auch Freiflugsimulationen starrer und elastischer Flugkörper einschließen. Daran wird auch gezeigt, wie aeroelastische Derivativa für Lenkmanöver fliegender elastischer Konfigurationen zu nutzen sind. Die Wahl schlanker drehsymmetrischer Geometrien diente dem Zweck, die Zahl der zu betrachtenden Variablen überschaubar zu halten. Aus den Ergebnissen folgt, dass die Vernachlässigung der elastischen Deformationsfreiheitsgrade eines Luftfahrzeugs nicht tolerable Abweichungen von den tatsächlichen Eigenschaften verursachen kann. Um entsprechend erweiterte Optimierungsfelder in Konstruktion und Echtzeit-Flugdynamik, zu erschließen, scheint es nicht verzichtbar, die vollen aeroelastischen Bewegungsgleichungen zu berücksichtigen und dabei das Werkzeug der aeroelastischen Direktsimulation in höherem Maße zu nutzen.

Starting from a Finite-Volume Method solving the Navier-Stokes equations for compressible fluid flow and a Finite-Element Method based on quasi one-dimensional Timoshenko beam elements for structural dynamics, a numerical method for coupled aeroelastic problems of flight vehicles is developed. Using the method, extended aerodynamic stability derivatives can be obtained by Computational Aeroelastic Simulation (CAS). Stability derivatives are derivatives of global aerodynamic quantities like lift and drag coefficients with respect to significant generalised coordinates and velocities characterising the flexible aerodynamic configuration of a deformable light-weight flight vehicle. The numerical method facilitates the study of excitation of structural vibration modes by coupling with unsteady flow processes. Determining experimentally the aeroelastic stability derivatives for complex configurations would be an extremely difficult task. In such cases, CAS may better support light weight construction optimised with respect to flight stability. On the flow side the coupled method is based on the DLR FLOWer code which solves the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations employing central differencing on structured multi-block grids. Several numerical standard techniques for simulating supersonic, unsteady, turbulent flow are employed and have been partly extended in the code, e.g. unsteady inflow/outflow conditions. The quasi implicit time integration based on Jamesons Dual Time-Stepping (pseudo-time stepping) is synchronised with the Finite-Element Method for the structure which at the same time forms the basis of the multi-block grid deformation algorithm implemented in this work for the flow solver FLOWer. By exemplary computations it is shown that an explicit algorithmic coupling of the two methods has been realised which consistently captures unsteady fluid-structure processes. The developed new modules are tested against results taken from the literature. The coupled code has been validated by comparison with experimental results obtained in the Collaborative Research Center SFB 401 "Flow Modulation and Fluid-Structure Interaction at Airplane Wings" with an elastic rectangular wing of finite span. Based on this, computational aeroelastic simulations and numerical analyses of generic flight structures (bodies of revolution with fins) are performed which include direct aerostructural free flight simulation of a rigid and an elastic flying vehicle. It is shown how to use extended aeroelastic derivatives for control manoeuvres of flying elastic bodies. The selection of slender bodies of revolution was made to restrict the number of variables to be surveyed. From the results one may conclude that ignoring the degrees of freedom of elastic deformation may cause intolerable deviations from the real flight dynamical properties of the configuration. Operating numerically in a far-reaching optimisation parameter field concerning light weight construction and real-time flight dynamics, it seems not possible to be done without taking into account the complete set of nonlinear aeroelastic equations of motion and using CAS to a major extent.

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