Ein modulares Verfahren für die numerische aeroelastische Analyse von Luftfahrzeugen

• A modular method for the numerical aeroelastic analysis of air vehicles

Braun, Carsten; Ballmann, Josef (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007

Kurzfassung

Um die Wirtschaftlichkeit und Flugsicherheit eines neuen Flugzeuges gewährleisten zu können, muss schon beim Entwurf die Wechselwirkung zwischen der elastischen Flugzeugstruktur und der umströmenden Luft berücksichtigt werden. Die zuverlässige Erfassung von Effekten, welche aus dieser Interaktion von Strömung und Struktur entstehen, setzt die simultane Lösung der beschreibenden Differentialgleichungen für die beiden Teilgebiete voraus. Da Fluggeschwindigkeiten nahe der Schallgeschwindigkeit zu erheblichen strömungsinduzierten, nichtlinearen Effekten führen, ist die Verwendung der Navier-Stokes Gleichungen zur Modellierung der kompressiblen, viskosen Gasströmung notwendig. Das Berechnungsverfahren SOFIA (Solid-Fluid-Interaction) löst die aeroelastischen Gleichungen im Zeitbereich unter Berücksichtigung der strömungsseitigen Nichtlinearitäten und ermöglicht damit die Analyse statischer und dynamischer aeroelastischer Phänomene bei transsonischen Anströmgeschwindigkeiten. Der Programmkern des Verfahrens SOFIA ist das Aeroelastic Coupling Module (ACM), welches im Rahmen der vorliegenden Dissertation entwickelt und angewandt wurde. Das ACM erlaubt den modularen Aufbau von SOFIA aus verschiedenen Euler- oder Navier-Stokes-basierten Strömungslösern und FE-basierten Strukturlösern. Allgemein definierte Schnittstellen garantieren dabei die Austauschbarkeit der verwendeten Teilfeldlöser. Das Kopplungsmodul ACM koordiniert die Abfolge der Löseraufrufe für statische und dynamische aeroelastische Simulationen im Sinne eines partitionierten Verfahrens. Unterschiedliche verbesserte "lose" Kopplungsstrategien mit Prädiktor-/Korrektor-Schritten und starke Kopplungsstrategien stehen zur Verfügung. Diese Strategien zielen auf eine Minimierung des numerischen Fehlers ab, welcher aufgrund eines inkorrekten Energietransfers bei vielen losen Kopplungsstrategien auftritt. Die verbesserten, gestaffelten Kopplungsstrategien bieten einen guten Kompromiss zwischen der benötigten Rechenzeit und der Genauigkeit bzw. Stabilität des partitionierten Verfahrens und ermöglichen damit die Anwendung von SOFIA auf realitätsnahe Probleme. Das ACM bietet eine lokale, Knoten-basierte Methode für den Austausch von Lasten und Verformungen zwischen den diskretisierten Teilfeldern auch für nicht übereinstimmende Oberflächennetze. Diese Methode erfüllt die Bedingung des Erhalts der mechanischen Energie und der Einhaltung des globalen Kraft- und Momentengleichgewichts. Der angewandte Algorithmus für den Last- und Verformungstransfer ermöglicht den Austausch von Kopplungsinformationen zwischen dem diskretisierten Strömungsgebiet und einem optional aus Balken-, Schalen- oder Volumenelementen aufgebauten Strukturmodell. Die Validierung von SOFIA für statische und dynamische aeroelastische Anwendungen wurde anhand des Vergleichs von numerischen Ergebnissen und experimentellen Daten für einen gepfeilten Modellflügel in subsonischer Strömung durchgeführt. Dabei wurde für alle Testfälle im Hinblick auf globale, aerodynamische Kräfte und Momente, Druckverteilungen und Modelldeformationen eine gute Übereinstimmung gefunden. SOFIA wurde im Rahmen des Projektes HiReTT (High Reynolds Number Tools and Techniques) eingesetzt, um den Einfluss von Modelldeformationen auf die aerodynamische Charakteristik von Windkanalmodellen bei Experimenten mit hohen Reynoldszahlen zu untersuchen. Die Untersuchungen zeigten, dass die auftretenden Deformationen die Modellumströmung erheblich beeinflussen und experimentelle Daten ohne Kenntnis der zugrunde liegenden Modelldeformationen nicht interpretiert werden können. Nach der umfangreichen Validierung für subsonische und transsonische aeroelastische Probleme wurde SOFIA für die Auslegung und die Analyse eines Windkanalmodells für transsonische aerostrukturdynamische Experimente bei realistischen Reynoldszahlen in einem kryogenen Windkanal verwendet. Ziel der Anwendung von SOFIA war die Bewertung des statischen und dynamischen aeroelastischen Verhaltens unter systematischer Variation von Anstellwinkel, Reynoldszahl, Machzahl und Kanaldruck. Die dabei gesammelten, umfangreichen Daten wurden unter anderem verwendet, um das Testprogramm für die geplanten, kostenintensiven Windkanalexperimente zu optimieren.