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Méthode de calcul numérique rapide en aéroélasticité non-linéaire basée sur l'équation du potentiel complet

Roth, Simon-Nicolas (2007). Méthode de calcul numérique rapide en aéroélasticité non-linéaire basée sur l'équation du potentiel complet. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Ce travail présente le développement d'un outil de calcul capable de trouver la réponse aéroélastique d'une aile dans un délai assez court pour être en mesure d'optimiser sa structure ou sa géométrie.

Le code aéroélastique parallèle utilise l'équation du potentiel complet discrétisé en différences finies. Le solveur fluide utilise un algorithme GMRES préconditionné. Une attention particulière est apportée sur la consistance de la discrétisation spatiale.

La résolution structurale est réalisée par une superposition modale. Les algorithmes de couplage CSS (Conventional Serial Staggered) et ISS (lmproved Serial Staggered) sont comparés. L'algorithme CSS doit être itéré afin de bien représenter les non-linéarités lorsque l'écoulement est transsonique, ce qui n'est pas le cas pour l'algorithme ISS.

La validation du code est effectuée en comparant avec succès la réponse dynamique obtenue expérimentalement et numériquement de l'aile AGARD 445.6. Le code est en mesure d'effectuer dix milles pas de temps par heure en distribuant le calcul sur 24 processeurs AMD 248 sur un réseau Infiniband pour un maillage d'environ 225k nouds.

Titre traduit

A revisited full potential method for application in fast and accurate nonlinear computational aeroelasticity

Résumé anglais

The purpose of this work was the development of a computational tool able to find the aeroelastic response of a wing within reasonable time frame in order to optimize its structure and its geometry. An aeroelastic code using the full potential equation discretized with finite difference was thus developed.

We noticed that the consistency of the space discretization was a major factor in order to obtain accurate solutions and to guarantee its stability. Moreover, the convergence of a triple approximate factorization scheme was insufficient to solve an aeroelastic problem. A nonlinear GMRES algorithm with an ILUT preconditioner was thus implemented.

We carried out the structural resolution by modal superposition. The conventional serial staggered (CSS) coupling algorithm and the improved serial staggered (ISS) coupling algorithm were compared. The CSS algorithm must be iterated in order to accurately capture non-linearities when the flow is transonic. The ISS algorithm is constructed with a leapfrog scheme where the fluid system is always computed at half time stations while the structure subsystem is always computed at full time stations. Although the results of the CSS coupling algorithm with a predictor-corrector and of the ISS coupling algorithm give practically identical results, the computing time of the CSS method was roughly 1. 75 times more important. For this reason the ISS algorithm has been be prefered.

The transfinite interpolation (TFI) was used in order to regenerate the mesh at each time step. The use of quaternions in the layer close to the wing was used to preserve mesh orthogonality.

Parallel processing was implemented in order to reduce the computing time. The code is able to carry out 10000 time steps per hour by distributing the computation load on 24 AMD 248 processors on an Infiniband network for a mesh of approximately 225k nodes. Because the domains overlap, the efficiency of the parallel code depends on the size of the problem. For a problem of medium size, the efficiency remains higher than 80% for up to 8 processors whereas for a problem of large size, the efficiency remains higher than 80% up to 16 processors.

The flutter speed index calculated on the AGARD 445.6 wing are very close to the experimental values. This enables us to conclude that the code developped is very fast, robust and accurate enough to achieve the goals of this work.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr. : f. [150]-155.
Mots-clés libres: Aeroelasticite, Aile, Calcul, Complet, Couplage, Ecoulement, Equation, Fluide, Fluide-Structure, Geometrie, Lineaire, Methode, Non, Non-Lineaire, Numerique, Optimisation, Potentiel, Rapide, Structure
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Soulaïmani, Azzeddine
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 12 avr. 2011 17:37
Dernière modification: 01 déc. 2016 02:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/602

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