New Approaches in Numerical Aeroelasticity Applied in Aerodynamic Optimization of Elastic Wing
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Aeroelasticita je nezbytná vědní disciplína zahrnuta do návrhu letounů. Zaměřuje se na předpovídání jevů, které vznikají vlivem interakce aerodynamických, elastických a setrvačných sil. Tyto jevy často vedou ke katastrofickým následkům, proto musí být prokázáno, že nevzniknou v rozsahu rychlostí ohraničujících letovou obálku. Aplikace moderních materiálů při konstrukci draku, spolu se snahou navrhnout aerodynamicky efektivní tvar křídel, vede ke zvyšování poddajnosti letounů. To má za následek změnu aerodynamických vlastností a také k výraznějšímu vliv na aeroelastické jevy, které mohou být vyvolány snadněji vlivem pohybů tuhého tělesa než v případě tužších konstrukcí. Aeroelastické jevy mohou vznikat v širokém rozsahu rychlostí zahrnujícím i transsonickou oblast. V této oblasti je ovlivněna zejména rychlost, při níž dochází k třepetání, a to vlivem nelineárních jevů v proudu. Běžné nástroje, které jsou založeny na lineárních teoriích, nejsou schopny tyto nelineární jevy popsat. Cílem práce je proto navrhnout, implementovat a otestovat nástroj pro výpočetní (numerickou) simulaci aeroelasticity. Nástroj má využívat řešič proudového pole, který je schopen předpovědět nelineární jevy. V práci je kladen důraz na simulaci statické aeroelasticity. V práci jsou popsány metody, které je nutno zahrnout do numerické simulace statické aeroelasticity. Dále je popsán vlastní nástroj a je provedeno zhodnocení konvergence statických aeroelastických výpočtů. Funkčnost nástroje byla ověřena na příkladech, kdy byly použity různé aerodynamické a strukturální modely. Nástroj byl také aplikován při aerodynamické tvarové optimalizaci poddajného křídla. Výsledky optimalizace a její výpočetní náročnost byly porovnány s případem optimalizace tuhého křídla. Na závěr je v práci prezentován příspěvek autora do výzkumu zaměřeného na zhodnocení vlivu časové synchronizace mezi CFD a CSM řešiči. Použitý testovací případ je transsonické obtékání křídla na začátku třepetání (flutteru). Výsledky byly srovnány s experimentálními daty poskytnutými NASA.
The aeroelasticity is an essential discipline involved in the aircraft design, aiming to predict phenomena occurring due to interaction of aerodynamic, elastic and inertial forces. Those phenomena might often lead to catastrophic consequences, thus it must be proven that they do not occur between the speeds bounding the airplane flight envelope. Current aircraft design leads to increased flexibility of the airframe as a result of modern materials application or aerodynamically efficient slender wings. The airframe flexibility influences the aerodynamic performance and it might significantly impact the aeroelastic effects, which can be more easily excited by rigid body motions than in case of stiffer structures. The potential aeroelastic phenomena can occur in large range of speeds involving transonic regime, where the non-linear flow effects significantly influence the flutter speed. Common aeroelastic analysis tools are mostly based on the linear theories for aerodynamic predictions, thus they fails to predict mentioned non-linear effect. The objective of the thesis is, therefore, to design, implement and test an aeroelastic computational tool employing the aerodynamic prediction solver which is able to predict non-linear flow. In the thesis, the main focus is directed to the static aeroelastic simulations. The methods involved in numerical static aeroelastic simulation are presented in the thesis. The implementation of the computational aeroelastic tool was described and the convergence of the coupled solver was investigated. The tool functionality was validated in the test cases involving different types of the aerodynamic and structural models. The tool was applied also in the aerodynamic shape optimization of an elastic wing. The results and computational cost were compared to the rigid wing optimization. Last chapter presents the author's contribution to the research oriented on the assessment of time synchronization scheme for the CFD-CSM coupled problem. The test case used here is a transonic flow around the Benchmark Super-Critical Wing at flutter condition. Results were compared to the experimental data provided by NASA.
The aeroelasticity is an essential discipline involved in the aircraft design, aiming to predict phenomena occurring due to interaction of aerodynamic, elastic and inertial forces. Those phenomena might often lead to catastrophic consequences, thus it must be proven that they do not occur between the speeds bounding the airplane flight envelope. Current aircraft design leads to increased flexibility of the airframe as a result of modern materials application or aerodynamically efficient slender wings. The airframe flexibility influences the aerodynamic performance and it might significantly impact the aeroelastic effects, which can be more easily excited by rigid body motions than in case of stiffer structures. The potential aeroelastic phenomena can occur in large range of speeds involving transonic regime, where the non-linear flow effects significantly influence the flutter speed. Common aeroelastic analysis tools are mostly based on the linear theories for aerodynamic predictions, thus they fails to predict mentioned non-linear effect. The objective of the thesis is, therefore, to design, implement and test an aeroelastic computational tool employing the aerodynamic prediction solver which is able to predict non-linear flow. In the thesis, the main focus is directed to the static aeroelastic simulations. The methods involved in numerical static aeroelastic simulation are presented in the thesis. The implementation of the computational aeroelastic tool was described and the convergence of the coupled solver was investigated. The tool functionality was validated in the test cases involving different types of the aerodynamic and structural models. The tool was applied also in the aerodynamic shape optimization of an elastic wing. The results and computational cost were compared to the rigid wing optimization. Last chapter presents the author's contribution to the research oriented on the assessment of time synchronization scheme for the CFD-CSM coupled problem. The test case used here is a transonic flow around the Benchmark Super-Critical Wing at flutter condition. Results were compared to the experimental data provided by NASA.
Description
Citation
NAVRÁTIL, J. New Approaches in Numerical Aeroelasticity Applied in Aerodynamic Optimization of Elastic Wing [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2016.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. František Pochylý, CSc. (předseda)
doc. Ing. Svatomír Slavík, CSc. (člen)
Ing. Martin Komárek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. (člen)
doc. Ing. Jaroslav Juračka, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Zdeněk Karpíšek, CSc. (člen)
doc. Ing. Petr Kmoch, CSc. (člen)
doc. Ing. Josef Klement, CSc. (člen)
Date of acceptance
2016-12-02
Defence
DDP představuje přínos v oblasti aeroelasticity letounu. Doktorand prokázal odborné znalosti z oblasti proudění, které dokázal úspěšně aplikovat v DDP.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení