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

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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


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


Dynamic Aeroelasticity

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 dell’onda d’urto

bottom top

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


Flutter boundaries per M-346 (Cont.)

Frequenza

g-damping

Diversa pendenza

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

Documents

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