Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings

In the foreseeable future, the rapid rise in aircraft travel demand will induce several environmental threats. On that front, the European Union envisages a 75% decrease in CO2 and NOΧ emissions in the atmosphere for future commercial transport aircrafts. Key enabler for this effort is the introduct...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Φωτοπούλου, Μαρία
Άλλοι συγγραφείς: Fotopoulou, Maria
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16381
id nemertes-10889-16381
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Computational fluid dynamics (CFD)
Fluid-structure interaction
ONERA M6 wing
NASA common research model
Static aeroelasticity
Υπολογιστική ρευστομηχανική
Σύζευξη δομής-ροής
Στατική αεροελαστικότητα
spellingShingle Computational fluid dynamics (CFD)
Fluid-structure interaction
ONERA M6 wing
NASA common research model
Static aeroelasticity
Υπολογιστική ρευστομηχανική
Σύζευξη δομής-ροής
Στατική αεροελαστικότητα
Φωτοπούλου, Μαρία
Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
description In the foreseeable future, the rapid rise in aircraft travel demand will induce several environmental threats. On that front, the European Union envisages a 75% decrease in CO2 and NOΧ emissions in the atmosphere for future commercial transport aircrafts. Key enabler for this effort is the introduction of novel, more efficient airframe designs with improved aerodynamic as well as structural efficiency. Regarding the aerodynamics, increasing the aspect-ratio of a wing is a well-established practice for increasing the aerodynamic efficiency by reducing the induced drag, which in turn improves fuel efficiency. As far as the structure is concerned, the introduction of composite materials in the design process results in lighter yet stiffer configurations. Nevertheless, such configurations are prone to certain phenomena, the most prominent being the elevated flexibility of the wing that on one hand induces a material and/or geometric nonlinear behavior and on the other hand a closer coupling between the structure and the surrounding fluid, aggravating static and dynamic aeroelastic phenomena. Furthermore, accounting for this type of phenomena requires sophisticated analyses, which in turn are bound by the associated, often prohibitive, computational time, hence they are preferred only for the later design stages of an aircraft structure. Aiming to alleviate the aforementioned issues, low-to-medium fidelity tools are often utilized early on the design stages, albeit suffering from reduced accuracy and inability to capture higher-order phenomena that might be present. This thesis aims to identify in detailed fashion the differences between the various fidelities of the numerical tools present and investigate the static aeroelastic behavior of a contemporary transport aircraft wing, namely uCRM13.5, a modified high aspect ratio version of the original Common Research Model (CRM) developed for very flexible wing design studies. As a preliminary study, the accuracy of two numerical CFD solvers of low and high-fidelity, are investigated via the transonic ONERA M6 wing case study. A convergence study with various computational grids of increasing size is conducted along with an influence analysis regarding the selection of the turbulence model as well as the first cell wall distance (Y+), necessary feature for capturing the boundary layer using RANS turbulence models. The resulting pressure coefficients at various spanwise sections of the wing are compared to their corresponding experimental ones as well as the lift, drag and moment coefficients are compared to those from NASA’s wind simulation. Having examined the results of the case study and having comprehend the methodology used, grid convergence studies are also conducted with the low and high-fidelity aerodynamic solvers for the uCRM wing with 13.5 aspect ratio in order to find the optimum CFD grid and to carry out the aeroelastic analysis. So, as a final step, the CFD obtained pressure field is applied to the structural FEM mesh of the wing, with the resulting displacements and stress field constituting the quantities of interest for the structural analysis.
author2 Fotopoulou, Maria
author_facet Fotopoulou, Maria
Φωτοπούλου, Μαρία
author Φωτοπούλου, Μαρία
author_sort Φωτοπούλου, Μαρία
title Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
title_short Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
title_full Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
title_fullStr Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
title_full_unstemmed Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
title_sort multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16381
work_keys_str_mv AT phōtopouloumaria multifidelityaeroelasticanalysisofhighaspectratioaircraftwings
AT phōtopouloumaria pollaplēspistotētasaeroelastikēanalysēpterygōnaeroskaphōnypsēloulogouekpetasmatos
_version_ 1771297359175614464
spelling nemertes-10889-163812022-09-05T20:15:15Z Multi-fidelity aeroelastic analysis of high aspect ratio aircraft wings Πολλαπλής πιστότητας αεροελαστική ανάλυση πτερύγων αεροσκαφών υψηλού λόγου εκπετάσματος Φωτοπούλου, Μαρία Fotopoulou, Maria Computational fluid dynamics (CFD) Fluid-structure interaction ONERA M6 wing NASA common research model Static aeroelasticity Υπολογιστική ρευστομηχανική Σύζευξη δομής-ροής Στατική αεροελαστικότητα In the foreseeable future, the rapid rise in aircraft travel demand will induce several environmental threats. On that front, the European Union envisages a 75% decrease in CO2 and NOΧ emissions in the atmosphere for future commercial transport aircrafts. Key enabler for this effort is the introduction of novel, more efficient airframe designs with improved aerodynamic as well as structural efficiency. Regarding the aerodynamics, increasing the aspect-ratio of a wing is a well-established practice for increasing the aerodynamic efficiency by reducing the induced drag, which in turn improves fuel efficiency. As far as the structure is concerned, the introduction of composite materials in the design process results in lighter yet stiffer configurations. Nevertheless, such configurations are prone to certain phenomena, the most prominent being the elevated flexibility of the wing that on one hand induces a material and/or geometric nonlinear behavior and on the other hand a closer coupling between the structure and the surrounding fluid, aggravating static and dynamic aeroelastic phenomena. Furthermore, accounting for this type of phenomena requires sophisticated analyses, which in turn are bound by the associated, often prohibitive, computational time, hence they are preferred only for the later design stages of an aircraft structure. Aiming to alleviate the aforementioned issues, low-to-medium fidelity tools are often utilized early on the design stages, albeit suffering from reduced accuracy and inability to capture higher-order phenomena that might be present. This thesis aims to identify in detailed fashion the differences between the various fidelities of the numerical tools present and investigate the static aeroelastic behavior of a contemporary transport aircraft wing, namely uCRM13.5, a modified high aspect ratio version of the original Common Research Model (CRM) developed for very flexible wing design studies. As a preliminary study, the accuracy of two numerical CFD solvers of low and high-fidelity, are investigated via the transonic ONERA M6 wing case study. A convergence study with various computational grids of increasing size is conducted along with an influence analysis regarding the selection of the turbulence model as well as the first cell wall distance (Y+), necessary feature for capturing the boundary layer using RANS turbulence models. The resulting pressure coefficients at various spanwise sections of the wing are compared to their corresponding experimental ones as well as the lift, drag and moment coefficients are compared to those from NASA’s wind simulation. Having examined the results of the case study and having comprehend the methodology used, grid convergence studies are also conducted with the low and high-fidelity aerodynamic solvers for the uCRM wing with 13.5 aspect ratio in order to find the optimum CFD grid and to carry out the aeroelastic analysis. So, as a final step, the CFD obtained pressure field is applied to the structural FEM mesh of the wing, with the resulting displacements and stress field constituting the quantities of interest for the structural analysis. Η ραγδαία αύξηση της ζήτησης στον τομέα της αεροναυπηγικής αναμένεται να έχει σοβαρές περιβαλλοντικές επιπτώσεις στο εγγύς μέλλον. Ως εκ τούτου, η Ευρωπαϊκή Ένωση οραματίζεται τη μείωση εκπομπών CO2 and NOΧ στην ατμόσφαιρα κατά 75% για τα μελλοντικά επιβατικά αεροσκάφη. Σημαίνοντα ρόλο στην επίτευξη των παραπάνω στόχων θα έχει η εισαγωγή καινοτόμων, πιο αποδοτικών σχεδιασμών, με βελτιωμένη τόσο αεροδυναμική όσο και δομική απόδοση. Αναφορικά με την αεροδυναμική, η αύξηση του λόγου εκπετάσματος μιας πτέρυγας αποτελεί πάγια πρακτική για την αύξηση της απόδοσης, μειώνοντας την επαγόμενη οπισθέλκουσα δύναμη, που με τη σειρά της βελτιώνει την κατανάλωση καυσίμου. Στον τομέα των δομών, η εισαγωγή των συνθέτων υλικών στη διαδικασία σχεδιασμού έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ελαφρότερων και στιβαρότερων δομών. Παρόλα αυτά, οι προκύπτουσες δομές είναι επιρρεπείς σε διάφορα φαινόμενα, με τα κυρίαρχα να αφορούν την αυξημένη ευκαμψία της πτέρυγας που με τη σειρά της επάγει απ’ τη μία μη-γραμμικότητες τόσο γεωμετρικές όσο και στη συμπεριφορά του υλικού και απ’ την άλλη εγείρει τη σύζευξη της δομής με το περιβάλλον ρευστό, εντείνοντας έτσι στατικά και δυναμικά αεροελαστικά φαινόμενα. Επιπλέον, η προσομοίωση τέτοιου τύπου φαινομένων απαιτεί εκλεπτυσμένα υπολογιστικά εργαλεία, τα οποία συνοδεύονται ως επί το πλείστων από απαγορευτικούς υπολογιστικούς χρόνους, και ως εκ τούτου επιλέγονται μόνο στα τελικά στάδια της διαδικασία σχεδιασμού μιας αεροπορικής δομής. Έχοντας ως στόχο τη αποφυγή των παραπάνω προβλημάτων, χαμηλής προς μεσαία ακρίβειας υπολογιστικά εργαλεία χρησιμοποιούνται συχνά στα πρώτα στάδια του σχεδιασμού, αδυνατώντας, παρόλα αυτά, να αποτυπώσουν όλο το εύρος των φαινομένων που δύνανται να παρουσιαστούν. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο την λεπτομερή ταυτοποίηση των διαφορών μεταξύ των διαθέσιμων εργαλείων διαφορετικής πιστότητας καθώς και να ερευνήσει την στατική αεροελαστική συμπεριφορά μιας σύγχρονης πτέρυγας επιβατικού αεροσκάφους, την uCRM13.5, μια πτέρυγα υψηλού λόγου εκπετάσματος που αποτελεί τροποποιημένη έκδοση της αρχικής CRM πτέρυγας, με στόχο τη δημιουργία ενός μοντέλου αναφοράς για πτέρυγες με υψηλή ευκαμψία. Αρχικά και με στόχο την επαλήθευση των αριθμητικών κωδίκων, διερευνάται η ακρίβεια ανάμεσα σε δύο κώδικες -χαμηλής και υψηλής πιστότητας- υπολογιστικής ρευστοδυναμικής εξετάζοντας ως αρχική αναφορά την πτέρυγα ONERA M6. Επιτελείται μελέτη σύγκλισης για διάφορα υπολογιστικά πλέγματα καθώς και μελέτη επιρροής τόσο του εκλεγμένου μοντέλου τύρβης, όσο και της απόστασης του πρώτου κελιού από το τοίχωμα (Y+), ένα αναγκαίο μέγεθος για την αποτύπωση της τύρβης στα μοντέλα RANS. Οι προκύπτοντες συντελεστές πίεσης σε διάφορες θέσεις κατά το εκπέτασμα συγκρίνονται με τις αντίστοιχες πειραματικές τιμές, καθώς και οι συντελεστές άντωσης, οπισθέλκουσας και αεροδυναμικής ροπής συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές που προέκυψαν από την προσομοίωση της ΝASA. Έχοντας εξετάσει τα αποτελέσματα από τις αναλύσεις της προκαταρκτικής μελέτης στην πτέρυγα OM6, χρησιμοποιώντας την ίδια μεθοδολογία-με ελάχιστες παραλλαγές- γίνεται μελέτη σύγκλισης και για την πτέρυγα uCRM-13.5 με στόχο την εύρεση του καλύτερου αεροδυναμικού πλέγματος, το οποίο και θα χρησιμοποιηθεί στη τελική αεροελαστική ανάλυση. Έτσι, σε τελικό στάδιο, η επαγόμενη στατική πίεση μεταφέρεται στο δομικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων της πτέρυγας, με τις προκύπτουσες μετατοπίσεις και τάσεις να αποτελούν τις ποσότητες ενδιαφέροντος για την παρούσα δομική ανάλυση. 2022-07-05T09:10:37Z 2022-07-05T09:10:37Z 2022-06 http://hdl.handle.net/10889/16381 en_US application/pdf