National Transport Library Research Database

Metodik för aerodynamisk design och analys av effektiva flygfarkoster (Methodology for aerodynamic design and analysis of efficient aerial vehicles)

Sponsors, duration, budget: Vinnova ; 2009-08-01 -- 2013-06-30 ; 5500000 kronorRegistration number:
  • Vinnova 200901346
Subject(s): Abstract: Syfte och mål: Det traditionella sättet att arbeta inom aerodynamisk design utmanas idag av ökade krav på kortare ledtider, kostnadseffektvitet och skärpta produktegenskaper. Trenden går mot alltmer automatiserade processer där simuleringar och aerodynamisk utformning med hjälp av optimeringsteknik (aerodynamisk formoptimering) får allt större betydelse i produktutvecklingen. Det innebär att de algoritmer som används vid simuleringarna måste vara effektiva och ge tillförlitliga resultat i en stor del av flygenveloppen. Detta gäller från tidig konceptuell design till mera detaljerad produktutformning. De flesta av dagens simuleringar bygger på stationära, dvs tidsoberoende, strömningsberäkningar. Emellertid är en stor del av de problem som analyseras instationära varför tidsberoende simuleringsmetoder krävs. Två viktiga exempel på sådana problem är strömning i kraftigt krökta luftintagskanaler och så kallad buffeting på flygplansvingar dvs. ett instationärt fenomen som uppstår vid transsoniska hastigheter. Dagens instationära metoder, applicerade på industriella problem, är inte tillräckligt beräkningseffektiva och noggranna för att kunna användas i praktiskt ingenjörsarbete. Det finns således krav på förbättringar av dessa metoder om man vill bedriva en mer tids- och kostnadseffektiv modellbaserad produktutveckling. Den teknik som kommer att tas fram möjliggör avancerad analys och design av flygande farkoster som har höga krav på låg bränsleförbrukning, vikt och IR-/radar-signatur. Dessutom kan genomloppstiderna i utvecklingen reduceras och en ökad produktmognad erhållas allt tidigare i designcykeln till en lägre kostnad genom att simuleringar till viss del kommer att ersätta experimentell provning. Detta kan sammanfattas i följande mål för projektet: Genomföra instationär strömningsanalys på komplett farkost inom 1-2 dygn Reducera osäkerhet i numeriska aerodataunderlag jämfört med idag Motståndsoptimering av komplett farkost baserad på viskös strömning Bygga upp kunskap om aktiv strömningskontroll i aerodynamisk design genom simulering samt verifiering med experiment Resultat och förväntade effekter: Projektet kommer att leverera följande resultat. Förbättrade turbulensmodeller för storskalig turbulens, framförallt hybridmodeller Nya numeriska algoritmer för noggrann, effektiv och robust tidsintegration av Navier- Stokes ekvationer Kravsättning av beräkningskapacitet för att kunna genomföra beräkningar enligt uppsatt mål Metodik för utvärdering av data från instationära CFD-beräkningar Effektivare lösare för de adjungerade ekvationerna för viskös strömning Nya bivillkor och målfunktioner vilka förenklar användningen av formoptimering Förbättrade metoder för volymsnätstörning för formoptimering baserad på viskös strömning Forskningsprojektet kommer att ta fram metodik och verktyg, inom instationär aerodynamik och aerodynamisk formoptimering, av generell art vilka är tillämpbara på både civila och militära problem. Detta kommer att öka Saabs kompetens och konkurrenskraft inom dessa områden och möjliggöra deltagande i internationella projekt som utvecklar avancerade aerodynamiska system. Denna teknik kommer till användning i det pågående EU-projektet Clean-Sky där Saab medverkar Uppläggning och genomförande: Målet med projektet är att utveckla en analysförmåga där instationär strömning kan modelleras med samma beräkningseffektivitet som stationära strömningsberäkningar men med förbättrad tillförlitlighet. Vidare kommer aerodynamisk formoptimering att utvecklas och integreras till ett dagligt stöd i designprocessen. Slutligen skall projektet bygga upp förmåga att utnyttja strömningskontroll i aerodynamisk design. Målsättning kan brytas ner i följande huvudpunkter Att kunna genomföra instationär strömningsanalys på komplett farkost inom 1-2 dygn Reducera osäkerhet i numeriska aerodataunderlag jämfört med idag Motståndsoptimering av komplett farkost baserad på viskös strömning Bygga upp kunskap om aktiv strömningskontroll i aerodynamisk design genom simulering samt verifiering med experiment Strategin för att uppnå målen kan sammanfattas enligt nedan Vidareutveckla numeriska algoritmer för att erhålla en effektiv och robust strömningslösare för instationära viskösa strömningsproblem. Studera krav på storskaliga distribuerade datormiljöer samt hur numeriska algoritmer bör implementeras för att uppnå hög effektivitet. Utveckla och validera turbulensmodeller för storskalig turbulens, framförallt hybridmodeller Ta fram metodik för utvärdering av tidsberoende CFD-data. Införa en metod, som tagits fram för viskösa strömningsberäkningar, för lösning av de adjungerade viskösa strömningsekvationerna. Utveckla teknik för att enklare kunna införa nya bivillkor och målfunktioner vilka förenklar användningen av formoptimering i ingenjörsarbetet Ta fram nya metoder för volymsnätsdeformationAbstract: Goals/targets: Today, the traditional way to work with aerodynamic design is challenged by tougher requirements on through put times, cost efficiency and rise in product quality. The trend is going towards more automatized processes where simulations and optimization techniques in aerodynamic design (aerodynamic shape optimization) is getting more and more important in the design process. It yields that the algorithms which are used in the numerical simulations have to be efficient and give accurate results in a large part of the flight envelope. This should apply for the early stages of conceptual design as well as for detailed product design. Most of the flow simulations made today assumes steady-state conditions, i.e. the flow field is not time dependent. However, most of the problems which are analyzed are unsteady problems which yields that time-accurate simulations are needed. Two important examples of such problems are flows in highly bent air inlets and buffeting effects on aircraft wings, i.e. an unsteady flow phenomenon which develops at transonic speeds. Today’s unsteady methods, applied on industrial problems, are not sufficiently efficient and accurate to be used in the practical engineer work. Thus, improvements have to be made if a more time and cost efficient model based product development process shall be used. The techniques which will be developed in the project will make it possible to perform advance design and analysis of aerial vehicles which have tough requirements due to fuel consumption, weight and IR/radar signature. Furthermore, the through put times in the development process will be reduced and an increased product ripeness is achieved at an earlier stage of the development process to a lower cost since simulations to some extent will replace experimental testing. This can be summarized in the following goals for the project: Perform unsteady flow simulations on a complete vehicle within 1-2 days, Reduction of inaccuracy in the numerical aerodynamic data base compared to today, Perform drag optimization on a complete vehicle based on a viscous flow field, Get knowledge about active flow control in aerodynamic design by making simulations and comparisons with experimental data. Result and effects: The project will deliver the following results: Improved turbulence models for large-scale turbulence, especially hybrid models, New numerical algorithms for accurate, efficient and robust time integration of Navier-Stokes equations, Requirements touchdown of computing capacity to perform calculations according to specified target, Methodology for evaluating the data from instationary CFD calculations, Efficient solver for the adjoint equations for viscous flow, New constraint and objective functions which simplifies the use of shape optimization, Improved methods for volymsnätstörning for shape optimization based on viscous fluid. The research project will develop methodologies and tools, in instationär aerodynamics and aerodynamic shape optimization of a general nature which are applicable to both civilian and military problems. This will increase Saab´s expertise and competitiveness in these areas and to participate in international projects to develop advanced aerodynamic systems. These technologies are used in the ongoing EU project Clean Sky, where Saab is involved. Planning and implementing: The project aims to develop an ability where unsteady flow can be modeled with the same calculation efficiency as stationary flow calculations but with improved reliability. Furthermore, the aerodynamic shape optimization will be develop and integrated into a daily support of the design process. Finally, the project will build up the ability to utilize flow control in aerodynamic design. Objectives can be broken down into following main points: Being able to implement unsteady flow analysis on complete vehicle within 1-2 days, Reduce uncertainty in numerical aero data base compared to today, Drag optimization of complete craft based on viscous flow, Build up knowledge of the active flow control aerodynamic design by simulation and verification with experiments, The strategy to achieve the objectives can be summarized as follows: Further develop numerical algorithms for obtaining an efficient and robust unsteady flow solver for viscous flow problems. Study requirements for large-scale distributed computing environments, and how numerical algorithms should be implemented to achieve high efficiency. Develop and validate turbulence models for large-scale turbulence, especially hybrid models. Develop methods for evaluating time-dependent CFD data. Introduce a method, developed for viscous flow calculations, to solve the adjoint viscous flow equations. Develop technologies to more easily introduce new constraint and objective functions which simplifies the use of shape optimization of engineering work Develop new ways to do mesh deformation.
Item type: