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A nonlinear computational aeroelasticity model for aircraft wings

Feng, Zhengkun (2005). A nonlinear computational aeroelasticity model for aircraft wings. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The design of a large aircraft at high speeds is a challenge in the very active research on aeroelasticity. The computational aeroelasticity analysis in 3D for such a large system of nonlinear equations becomes available due to the recent highly developed computing technology.

This thesis deals with the development of a CFD-based coupling code which is based on the equations of the structural motion and the Euler equations of inviscid compressible transonic flows. The strategy of segregating such a complex multidisciplinary system gives the advantages of the software development in modularity and the reuse of the developed solvers of the subsystems. The non-matching of the grids on the fluid-structure interface due to the difference of the element sizes and types of the fluid and the structural models is resolved by adding the matcher module in the coupling algorithm. The information transfers from one solver to another satisfy conservation of energy. The nonlinear aerodynamic model is described by the kinematic ALE description and discretized on the moving mesh which is updated by the mesh solver. The CSD-MAM model in which the modal superposition approach is based on the linear structural theories is used to reduce the computing time and the memory consumption. Another comparable CSD-FEM model based directly on the finite element discrete approach is also built for the extension to general structural dynamics. The nonlinearity is another source of the complexity of the aeroelasticity model although it is assumed only from the aerodynamics of the transonic flow and from the geometric nonlinearities due to the mesh motion. The nonlinear GMRES algorithm with the ILUT preconditioner is implemented in the robust CFD solver where the SUPG numerical stabilization techniques and a shock captor are applied to the transonic flow dominated by convection. The second order Gear-Scheme is used for the time discretization.

The components of this nonlinear computational aeroelasticity model are validated one by one with numerical experiments. The complete model is validated by the AGARD 445.6 aeroelastic wing immersed in transonic flows with Mach number 0.96 which corresponds to the lowest point of the transonic dip. The flutter simulations have given satisfying results compared to experimental ones.

Titre traduit

Un modèle de calcul numérique de l'aéroelasticité nonlinéaire pour des ailes d'avions

Résumé traduit

Cette thèse présente le développement d'un code d'aéroélasticité nonlinéaire basé sur un solveur CFD robuste afin de l'appliquer aux ailes flexibles en écoulement transsonique. Le modèle mathématique complet est basé sur les équations du mouvement des structures et les équations d'Euler pour les écoulements transsoniques non-visqueux. La stratégie de traiter tel système complexe par un couplage étagé présente des avantages pour le développement d'un code modulaire et facile à faire évoluer. La non-correspondance entre les deux grilles de calcul à l'interface fluide-structure, due aux différences des tailles et des types des éléments utilisés par la résolution de l'écoulement et de la structure, est résolue par l'ajout d'un module spécifique. Les transferts des informations entre ces deux grilles satisfont la loi de la conservation de l'énergie. Le modèle nonlinéaire de la dynamique du fluide basé sur la description Euler-Lagrange est discrétisé dans le maillage mobile. Le modèle pour le calcul des structures est supposé linéaire dans lequel la méthode de superposition modale est appliquée pour réduire le temps de calcul et la dimension de la mémoire. Un autre modèle pour la structure basé directement sur la méthode des éléments finis est aussi développé. Il est également couplé dans le code pour prouver son extension future aux applications plus générales. La nonlinéarité est une autre source de complexité du système bien que celle-ci est prévue uniquement dans le modèle aérodynamique. L'algorithme GMRES nonlinéaire avec le preconditioneur ILUT est implémenté dans le solveur CFD où un capteur de choc pour les écoulements transsoniques et la technique de stabilisation numérique SUPG pour des écoulements dominés par la convection sont appliqués. Un schéma du second ordre est utilisé pour la discrétisation temporelle.

Les composants de ce code sont validés par des tests numériques. Le modèle complet est appliqué et validé sur l'aile aéroélastique AGARD 445.6 dans le cas du nombre de Mach 0.96 qui est une valeur critique en flottement. Les simulations de flottement donnent des résultats numériques satisfaisants en comparaison avec ceux expérimentaux.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in fulfillment of the thesis requirement for the degree of doctor of philosophy". Bibliogr.: f. [160]-168. Ch. 1. Nonlinear computational aeroelasticity -- Ch. 2. Governing equations of aeroelasticity systems -- Ch. 3. Discrete form of the governing equations -- Ch. 4. Fluid-structure coupling algorithms -- Ch. 5. Numerical results.
Mots-clés libres: Aeroelasticite, Aile, Avion, Calcul, Modele, Non-Lineaire, Nonlineaire, Numerique, Simulation.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Soulaïmani, Azzeddine
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 31 janv. 2011 21:21
Dernière modification: 06 déc. 2016 21:54
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/346

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