An aeroelastic coupled adjoint approach for multi-point designs in viscous flows

• Gekoppeltes adjungiertes Verfahren für den Navier-Stokes basierten aeroelastischen Mehrpunktentwurf

Abu-Zurayk, Mohammad; Gauger, Nicolas Ralph (Thesis advisor); Frank, Martin (Thesis advisor); Behr, Marek (Thesis advisor); Kroll, Norbert (Thesis advisor)

Als Manuskript gedruckt. - Köln : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (2016, 2017)
Buch, Doktorarbeit, Bericht

In: Forschungsbericht / DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 2017-10
Seite(n)/Artikel-Nr.: xii, 86 Seiten : Diagramme, IllustrationenReport-Nummer: DLR-FB-2017-10

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Kurzfassung

Während des Fluges wird der Flügel basierend auf der Interaktion der Aerodynamik mit der Elastizität der Struktur deformiert. Diese Deformation beeinflusst das aerodynamische Strömungsfeld und demzufolge ist die Berücksichtigung der Elastizität der Struktur bei der Optimierung der Flügelform notwendig, um die aerodynamischen Beiwerte präzise vorherzusagen. Gradienten basierende Optimierungsalgorithmen sind effizient und deshalb geeignet für aeroelastische Formoptimierung des Flügels mit hochwertigen numerischen Verfahren. Diese Arbeit präsentiert ein effizientes Verfahren um die Gradienten, die für solche Optimierungen notwendig sind, zu berechnen. Eine bereits existierende Methode, die reibungsbehaftete Strömungsadjungierte, wird erweitert um die Elastizitätseffekte der Struktur zu berücksichtigen. Der Hauptbestandteil dieser Arbeit besteht aus der Ableitung der Methoden zur Strömung-Struktur Kopplung und der Implementierung der gekoppelten adjungierten Gleichungen. Vorteilhaft bei dieser gekoppelten aeroelastischen Adjungiertenmethode ist, dass sie die Gradienten genau und nahezu unabhängig von der Anzahl der Entwurfsparameter der Optimierung berechnet. Dies ermöglicht hochwertigen numerischen Verfahren Mehrpunktoptimierungen mit akzeptablem numerischem Aufwand. In diesem Zusammen-hang kann festgestellt werden, dass die numerischen Kosten mit dieser adjungierten Methodik um mehr als 80% reduziert werden können im Vergleich zu einem konventionellen finite Differenzen Ansatz. Nachdem das Verfahren zur Berechnung der Gradienten erfolgreich validiert ist, werden vier Szenarien für eine Flügel-/Rumpfgeometrie bei transsonischen Anströmbedingungen optimiert. Dabei werden die Einflüsse sowohl von verschiedenen Flugpunkten als auch einer Randbedingung hinsichtlich des Gewichts des Flugzeugs untersucht. Diese Randbedingung zeigt vorteilhafte Ergebnisse sowohl für die Aerodynamik als auch für die Struktur des Flugzeugs.