Computational Aeroelasticity with CFD modelsL. Cavagna, G. Quaranta, P. MantegazzaDip. di Ingegneria Aerospaziale, Politecnico di Milano
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
2
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Sommario
• NAEMO NNumerical AAeroEElastic MOMOdeller based on CFD Aeroelasticità Computazionale collaborazione fra POLIMI & Alenia
Aermacchi per M-346 Procedure di accoppiamento spaziale Solutore per il movimento delle griglie Deflessione delle superfici mobili Tipologie di analisi
• Analisi di trim
• Analisi di stabilità
• Analisi FSI nonlineare accoppiata
• Validazione delle procedure sul test AGARD 445.6 Wing• Applicazione all’M-346• Conclusioni e sviluppi futuri
3
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Computational Aeroelasticity
• I flussi transonici sono caratterizzati da complessi fenomeni nonlineari onde d’urto
• Necessario adottare un approccio Computational Fluid Dynamics (CFD)
Aeroelasticità Computazionale
• Progetto di ricerca congiunto fra il DIAPM & Alenia Aermacchi per sviluppare delle procedure efficaci per analisi AC
• Requisiti: Approccio partizionato Utilizzo di software “off-the-shelf” ROM delle forze aerodinamiche per analisi rapide di stabilità Analisi aeroservoelastiche
• Obiettivi principali: Studio aeroservoelastico del velivolo M-346 Advanced Trainer
4
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
NAEMO–CFD
Collezione di metodi distribuiti come Plug-in per il software commerciale CFD FLUENT ®
Dynamic Aeroelasticity Stabilità nonlineare &
LCO
Inviluppo di flutter aeroservoelastico
Aerodynamic model
RANS
Structural modal base (FEM / GVT)
Coupling procedure
Grid-motion solver
CFD-ALE solver
FLUENT
Reduced Order Models
Configurazioni di equilibrio
Derivate di stabilità aeroelastiche
CSD solver
NASTRAN
Static Aeroelasticity
5
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Accoppiamento spaziale
Obiettivo: scambiare informazioni fra il modello strutturale e la discretizzazione CFD
Requisiti: Capacità di gestire:
• Griglie differenti definite sulla stessa geometria
• Griglie differenti su geometrie differenti (e.g. modelli a travi interfacciati con 3D CFD)
Gestire correttamente l’estrapolazione Controllo della qualità e della regolarità delle informazioni
scambiate Assicurare la conservazione dell’energia scambiata
Definizione di un schema di interfaccia Meshless basato su Minimi Quadrati Mobili pesati attraverso
funzioni RBF a supporto compatto
6
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Accoppiamento spaziale (Cont.)
Primo modo flessionale simmetrico
Primo modo flessionale antisimmetrico
Discontinuità in presenza di superfici mobili
Corretta deformazione della fusoliera
Estrapolazione del movimento
7
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deformazione di griglia
• Compito complesso e dispendioso (attenzione ai volumi negativi)• E’ richiesto un metodo robusto ed efficiente• Si sfrutta l’analogia con un continuo elastico• Ogni elemento ha un modulo elastico pari a
Non previene il collasso
Distanza fra I nodi
Lmin
Previene il collasso perchè Lmin = 0 no
sfondamento
Distanza fra i centroidi
Lmin
Si possono utilizzare tutti i tipi di elementi rappresentandoli come somma di tetraedri
8
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deformazione di griglia (Cont.)
qi +
qk =
Composizione modale di griglie deformate
Riduzione dimensioni computazionali:
• Diradamento della griglia
• Risoluzione di un problema più piccolo
• Interpolazione degli spostamenti calcolati
9
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deflessione delle superfici mobili
• Ampie rotazioni rigide delle superfici possono essere richieste per la ricerca della soluzione di equilibrio stazionaria
• Remeshing: costoso• Fenomeno del “mesh shearing” conduce a celle collassate o problemi
mal-condizionati
Celle molto distorte a causa del mesh-shearing
10
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deflessione delle superfici mobili
Per permettere la corretta formazione delle aperture in seguito al movimento si utilizza la tecnica delle mesh non conformi
Quando compare una nuova superficie interna della struttura il codice impone automaticamente la condizione di parete
Si definiscono due superfici coincidenti con nodi che scorrono su ciascuna in maniera indipendente. Interpolazione per scambiare informazioni
11
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deflessione delle superfici mobili (Cont.)
Definizione di blocchetti interni associati a ciascuna superficie di controllo
Confini esterni di ciascun blocco interfacciati con una griglia esterna attraverso superfici con griglie non conformi
“Non-matching sliding surfaces”Ogni sotto-dominio contiene una
superficie mobile di controllo
12
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Deflessione delle superfici mobili (Cont.)
• Le griglie in ciascun blocco vengono deformate in modo indipendente• Per tener conto in modo migliore della deformabilità strutturale, ogni
blocchetto può traslare e ruotare rigidamente all’interno della griglia globale
Corretta formazione del vortice di estremità in corrispondenza della sezione finale e iniziale dell’alettone
13
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Analisi di trim sul velivolo flessibile libero
Risolvere un sistema di equazioni nonlineare
Parametri del flusso fissati dall’utente
Parametri strutturali e della meccanica del volo
Equazioni di moto rigido
Equazioni dei modi propri elastici del velivolo libero
Solo 6 parametri della meccanica del volo possono essere risolti, il resto deve essere assegnato dall’utente a seconda della manovra in analisi.
Equazioni elastiche e quelle di moto rigido sono disaccoppiate
14
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Analisi di trim sul velivolo (Cont.)
Define fixed and configuration parameters
Update CFD solution
Newton step
GMRES
evaluations
Solve structural problem
Update far-field, reference frame parameters and rotate control
surfacesDeform CFD
domain
Check convergence
on flight-mechanics
END
Evoluzione residuo
, piani di coda
orizzontali
Ampiezze modali
Cruise flight
15
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Modelli ridotti linearizzati
• I modelli linearizzati vengono determinati attraverso l’applicazione di piccole perturbazioni ai contorni solidi del dominio CFD, partendo dalle condizioni di trim
• L’ingresso modale è applicato utilizzando un segnale temporale a scalino raccordato
• FFT della risposta: colonna della matrice di trasferimento GAF
• Modello agli stati identificato utilizzando una tecnica agli stati finiti
Se si considerano I modi rigidi le matrici D0, D1 e D2 contengono informazioni sulle derivati di stabilità aeroelastiche
16
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Flutter boundaries
I limiti di flutter vengono determinati risolvendo un semplice problema agli autovalori
Si possono aggiungere stati addizionali per rappresentare:
• servo-attuatori
• Flight Control Systems
• …
17
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Soluzioni dirette non-lineari
• Cosa succede vicino al punto di flutter? Come evolve il sistema?• Procedura per verificare i risultati ottenuti dal metodo linearizzato• Approccio partizionato, debolmente accoppiato
• “Predictor/corrector” basato sull’algoritmo di Crank-Nicholson
• Nonlinearità locali (giochi, saturazioni) possono essere aggiunte.
Prediction of structural
motion Flow-field solution
Correction of the prediction
Grid-motion algorithm
Next time-step
18
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Test: AGARD 445.6
• Classico flutter flesso-torsionale• Meno dell’1% di errore in regime subsonico e transonico• 20% di errore in regime supersonico (risultati simili da altri autori)
19
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Dynamic Aeroelasticity
20
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Soluzioni CFD strazionarie su M-346
• Calcoli RANS validati con confronto con misure di galleria con PSP• Spalart-Allmaras (+ funzioni di parete)• Buon accordo nella predizione della posizione dell’onda d’urto
bottom top
21
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Flutter boundaries: M-346
• Validazione della tecnica attraverso un confronto con DLM in regime subsonico, “shock-free”: Mach 0.6
Causato da una diversa “efficacia” delle superfici mobili di coda
22
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Flutter boundaries per M-346 (Cont.)
Frequenza
g-damping
Diversa pendenza
23
CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia 15-16 Ottobre
Conclusioni e sviluppi futuri
• Una libraria di metodi per analisi aeroservoelastiche è stata sviluppata e attentamente verificata
• Validazione con classici test sperimentali (AGARD 445.5) e comparazioni con altri risultati ottenuti per il velivolo M-346
Sviluppi futuri: Accoppiamento con software multicorpo per simulare manovre
complete non-stazionarie Aggiunta di modelli dinamici dei motori Estrazione di modelli ridotti non-lineari per lo studio di LCO
Top Related