Unsteady Aerodynamics Analysis of a High Aspect Ratio Wing by Means of a Loosely Coupled CFD-FEM Model.

Abstract

[ES] El análisis del flameo se basa en tres pilares principales para obtener una predicción del comportamiento de la estructura de una aeronave durante el vuelo: la determinación de sus propiedades elásticas, propiedades inerciales y el análisis de aerodinámica no estacionaria. El problema aeroelástico se puede evaluar combinando estos tres pilares en una cadena de procesos. El objetivo de dicha cadena de procesos es la certificación de la aeronave.

Este trabajo se centra en el estudio de la aerodinámica no estacionaria de un ala para un análisis del flameo utilizando la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD, por sus siglas en inglés). Los resultados de un análisis modal obtenidos con un modelo de Método de Elementos Finitos (FEM, por sus siglas en inglés) se aplican al dominio en el software de CFD como entrada. Esta entrada proporciona movimiento a los elementos estudiados al deformar la malla. En este trabajo, la aerodinámica no estacionaria de la simulación no modifica la respuesta elastomecánica. Es una simulación acoplada de manera laxa. FEM y CFD interactúan entre sí de manera unidireccional.

Se aplican dos modos de vibración independientes al ala como movimiento armónico para estudiar su efecto individual en la aerodinámica. El primer modo es el modo de flexión simétrica del ala con la frecuencia más baja. El segundo modo es un modo de flexión simétrica del fuselaje. Se elige este modo de vibración en función de resultados previos de análisis de flameo, que mostraron un acoplamiento con un modo de flexión simétrica del ala de frecuencia más alta.

Se obtienen los coeficientes aerodinámicos y las fuerzas totales que actúan sobre el ala para diferentes velocidades de vuelo. Se analiza el comportamiento no estacionario de los coeficientes aerodinámicos. En el caso de la sustentación, también se compara con el flameo teórico del perfil bidimensional en la Cuerda Aerodinámica Media. Se estudian las fuerzas totales que actúan sobre el ala y se explica la obtención de la matriz de Fuerzas Aerodinámicas Generalizadas (GAF). Los elementos en la GAF se pueden comparar con los obtenidos mediante otros métodos, como el Doublet Lattice Method (DLM), para realizar un análisis de flameo en mayor profundidad.

[EN] Flutter analysis relies on three main pillars to obtain a prediction for the behaviour of the structure of an aircraft during flight: the determination of its elastic properties, inertial properties and the unsteady aerodynamics analysis. The aeroelastic problem can be assessed combining these three in a process chain. The objective of such a process chain is the certification of aircraft. This work focuses on the study of the unsteady aerodynamics of a wing for a flutter analysis making use of Computational Fluid Dynamics (CFD). The results of a modal analysis obtained with a Finite Element Method (FEM) model are applied to the domain in the CFD software as an input. This input provides motion to the elements under study by deforming the mesh. In this work the unsteady aerodynamics of the simulation do not modify the elastomechanical response. It is a loosely coupled simulation. FEM and CFD interact with each other in a unidirectional way. Two independent vibration modes are applied to the wing as an harmonic motion to study their individual effect on the aerodynamics. The first mode is the symmetric wing bending mode of lowest eigenfrequency. The second mode is a symmetric fuselage bending mode. This eigenmode is chosen based on previous flutter analysis results, which showed a coupling with a symmetric wing bending mode of higher eigenfrequency. The obtention of the aerodynamic coefficients and the total forces acting over the wing is performed for different flight speeds. The unsteady behaviour of the aerodynamic coefficients is analysed. In the case of the lift, it is also compared to the theoretical flutter of the twodimensional airfoil at the Mean Aerodynamic Chord. Total forces acting over the wing are studied and the obtention of the Generalized Aerodynamic Forces (GAF) matrix is explained. The elements in the GAF can be compared to the ones obtained with other methods such as the Doublet Lattice Method (DLM) to reach a refined flutter analysis.