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Computational Aeroelasticity with CFD models L. Cavagna, G. Quaranta, P. Mantegazza Dip. di Ingegneria Aerospaziale, Politecnico di Milano CAPI 2007 Calcolo.

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Presentazione sul tema: "Computational Aeroelasticity with CFD models L. Cavagna, G. Quaranta, P. Mantegazza Dip. di Ingegneria Aerospaziale, Politecnico di Milano CAPI 2007 Calcolo."— Transcript della presentazione:

1 Computational Aeroelasticity with CFD models L. Cavagna, G. Quaranta, P. Mantegazza Dip. di Ingegneria Aerospaziale, Politecnico di Milano CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre

2 2 Sommario NAEMONAEMO Numerical AeroElastic MOdeller 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 Wing Applicazione allM-346 Conclusioni e sviluppi futuri

3 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 3 Computational Aeroelasticity I flussi transonici sono caratterizzati da complessi fenomeni nonlineari onde durto 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 Ottobre 4 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 Ottobre 5 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 lestrapolazione Controllo della qualità e della regolarità delle informazioni scambiate Assicurare la conservazione dellenergia 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 Ottobre 6 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 Ottobre 7 Deformazione di griglia Compito complesso e dispendioso (attenzione ai volumi negativi) E richiesto un metodo robusto ed efficiente Si sfrutta lanalogia con un continuo elastico Ogni elemento ha un modulo elastico pari a Non previene il collasso Distanza fra I nodi L min Previene il collasso perchè L min = 0 no sfondamento Distanza fra i centroidi L min Si possono utilizzare tutti i tipi di elementi rappresentandoli come somma di tetraedri

8 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 8 Deformazione di griglia (Cont.) q i + q k = 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 Ottobre 9 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 Ottobre 10 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 Ottobre 11 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 Ottobre 12 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 allinterno della griglia globale Corretta formazione del vortice di estremità in corrispondenza della sezione finale e iniziale dellalettone

13 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 13 Analisi di trim sul velivolo flessibile libero Risolvere un sistema di equazioni nonlineare Parametri del flusso fissati dallutente 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 dallutente a seconda della manovra in analisi. Equazioni elastiche e quelle di moto rigido sono disaccoppiate

14 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 14 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 surfaces Deform 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 Ottobre 15 Modelli ridotti linearizzati I modelli linearizzati vengono determinati attraverso lapplicazione di piccole perturbazioni ai contorni solidi del dominio CFD, partendo dalle condizioni di trim Lingresso 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 Ottobre 16 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 Ottobre 17 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 sullalgoritmo 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 Ottobre 18 Test: AGARD Classico flutter flesso-torsionale Meno dell1% 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 Ottobre 19 Dynamic Aeroelasticity

20 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 20 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 dellonda durto bottom top

21 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 21 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 Ottobre 22 Flutter boundaries per M-346 (Cont.) Frequenza g-damping Diversa pendenza

23 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 23 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

24 CAPI 2007 Calcolo ad Alte prestazioni in Italia Ottobre 24 Acknowledgments NAEMO-CFD è un progetto di ricerca finanziato da Alenia Aermacchi che ringraziamo per il supporto e per il permesso di mostrare immagini riguardanti il velivolo M-346 Advanced Jet Trainer.


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