Application of Computational Aerodynamic Analysis and Optimization in a Multi-Fidelity Distributed Overall Aircraft Design System

• Anwendung rechnergestützter aerodynamischer Analyse und Optimierung in verteilten, mehrstufigen Flugzeuggesamtentwurfssystemen

Gu, Xiangyu; Stumpf, Eike (Thesis advisor); Rizzi, Arthur (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In dieser Arbeit wird ein verteilter, mehrstufiger Gesamtflugzeugentwurfsprozess entwickelt, welcher vollautomatische Strömungsanalysen und Optimierungen nutzt. Ziel ist es, bereits früh im Entwurfsprozess bessere Vorhersagen über die Flugzeugcharakteristika machen zu können, sowohl für konventionelle als auch für unkonventionelle Konfigurationen.Um die Anwendung von Strömungsanalysen im rekursiven Entwurfsprozess zu vereinfachen, wird ein Prozess für eine vollautomatische Strömungsanalyse auf Basis von unstrukturierten Netzen entwickelt. Dieser beinhaltet die Repräsentation der Geometrie, die Netzgenerierung und die Strömungssimulation und wird im verteilten Entwurfssystem des DLR implementiert und nutzt das zentralisierte Datenformat CPACS, um auch bereits vorhandene Tools im DLR nutzen zu können. Der Prozess wird anhand von bekannten Konfigurationen überprüft. Die Ergebnisse stimmen sehr gut mit Windkanalmessungen und anderen Berechnungsdaten überein. Dies zeigt, dass der automatisierte Prozess zuverlässige aerodynamische Leistungsvorhersagen sowohl für reibungsfreie als auch reibungsbehaftete Strömungsfelder ermöglicht.Zur Bestimmung der Entwurfsvariablen der komplexeren Geometriedarstellung der Flügelform, die von der Strömungsanalyse benötigt wird, wird eine aerodynamische Optimierung verwendet, um die aerodynamische Effizienz der durch das Konzeptentwurfswerkzeug initialisierten Konfiguration zu verbessern. Es wird ein Python-Skript entwickelt, um den Aufbau und die Ausführung der aerodynamischen Optimierung sowie die Verarbeitung der Ergebnisse zu automatisieren.In dieser Studie werden multidisziplinäre Analysen (MDA) und multidisziplinäre Optimierungen (MDO) eingesetzt, um die Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Disziplinen zu erfassen und die Leistung dieser Disziplinen im Rahmen des Flugzeugentwurfsprozesses abzuwägen. Ein MDA-Prozess, der den automatisierten Strömungsanalyseprozess und die aerodynamische Optimierung verwendet, wird entwickelt, um die Flugzeugcharakteristika abzuschätzen. Die Ergebnisse der Anwendung des MDA-Prozess auf eine konventionelle Flugzeugkonfiguration zeigen, dass der Prozess eine zuverlässige Schätzung der Flugzeugcharakteristika ermöglicht. Schließlich wird eine verteilte Architektur für Flugzeugentwurfs-MDO-Anwendungen eingesetzt. Die Entwurfsvariablen werden in typische Flügelplanformparameter des konzeptionellen Flugzeugentwurfs und die Flügelformentwurfsvariablen zerlegt. Gradientenbasierte Optimierung wird gewählt, um die aerodynamische Optimierung in Abhängigkeit der Flügelformvariablen zu unterstützen. Die Methode der Ersatzmodelle wird gewählt, um die Planformparameter zu handhaben. Der MDO-Prozess wird sowohl auf ein konventionelles Flugzeug als auch auf eine unkonventionelle Konfiguration angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass der implementierte MDO-Prozess in der Lage ist, den komplizierten Kompromiss zwischen verschiedenen Entwurfsdisziplinen sowohl für konventionelle als auch für unkonventionelle Flugzeugkonfigurationen zu bewältigen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Luft- und Raumfahrtsysteme (ILR) [415310]