An aeroelastic coupled adjoint approach for multi-point designs in viscous flows

Abu-Zurayk, Mohammad; Gauger, Nicolas Ralph; Behr, Marek; Frank, Martin; Kroll, Norbert

doi:10.18154/RWTH-2017-03453

An aeroelastic coupled adjoint approach for multi-point designs in viscous flows = Gekoppeltes adjungiertes Verfahren für den Navier-Stokes basierten aeroelastischen Mehrpunktentwurf

2016 & 2017

VerantwortlichkeitsangabeMohammad Abu-Zurayk, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik, Braunschweig

AusgabeAls Manuskript gedruckt

ImpressumKöln : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt 2016

Umfangxii, 86 Seiten : Diagramme, Illustrationen

ReiheForschungsbericht / DLR, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt ; 2017-10

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2017

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Gauger, Nicolas Ralph (Thesis advisor) ; Frank, Martin (Thesis advisor)^RWTH* ; Behr, Marek (Thesis advisor)^RWTH* ; Kroll, Norbert (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-05-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-03453
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/687847/files/687847.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/687847/files/687847.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
aeroelastic adjoint approach (frei) ; aerodynamic shape optimization (frei) ; gradient-based optimization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510

Kurzfassung
Während des Fluges wird der Flügel basierend auf der Interaktion der Aerodynamik mit der Elastizität der Struktur deformiert. Diese Deformation beeinflusst das aerodynamische Strömungsfeld und demzufolge ist die Berücksichtigung der Elastizität der Struktur bei der Optimierung der Flügelform notwendig, um die aerodynamischen Beiwerte präzise vorherzusagen. Gradienten basierende Optimierungsalgorithmen sind effizient und deshalb geeignet für aeroelastische Formoptimierung des Flügels mit hochwertigen numerischen Verfahren. Diese Arbeit präsentiert ein effizientes Verfahren um die Gradienten, die für solche Optimierungen notwendig sind, zu berechnen. Eine bereits existierende Methode, die reibungsbehaftete Strömungsadjungierte, wird erweitert um die Elastizitätseffekte der Struktur zu berücksichtigen. Der Hauptbestandteil dieser Arbeit besteht aus der Ableitung der Methoden zur Strömung-Struktur Kopplung und der Implementierung der gekoppelten adjungierten Gleichungen. Vorteilhaft bei dieser gekoppelten aeroelastischen Adjungiertenmethode ist, dass sie die Gradienten genau und nahezu unabhängig von der Anzahl der Entwurfsparameter der Optimierung berechnet. Dies ermöglicht hochwertigen numerischen Verfahren Mehrpunktoptimierungen mit akzeptablem numerischem Aufwand. In diesem Zusammen-hang kann festgestellt werden, dass die numerischen Kosten mit dieser adjungierten Methodik um mehr als 80% reduziert werden können im Vergleich zu einem konventionellen finite Differenzen Ansatz. Nachdem das Verfahren zur Berechnung der Gradienten erfolgreich validiert ist, werden vier Szenarien für eine Flügel-/Rumpfgeometrie bei transsonischen Anströmbedingungen optimiert. Dabei werden die Einflüsse sowohl von verschiedenen Flugpunkten als auch einer Randbedingung hinsichtlich des Gewichts des Flugzeugs untersucht. Diese Randbedingung zeigt vorteilhafte Ergebnisse sowohl für die Aerodynamik als auch für die Struktur des Flugzeugs.

As the wing flies, its structural elasticity interacts with the aerodynamic loads and the wing deforms. This deformation influences the aerodynamic flow over the wing. Hence, besides employing high-fidelity flow equations, considering the structural elasticity is necessary for an accurate prediction of the wing aerodynamic coefficients. Wing shape optimizations that consider high-fidelity aeroelastic effects are computationally costly and therefore the gradient-based algorithms are suitable for them. This study presents an efficient approach for computing the gradients required for such optimizations. An existing viscous flow adjoint approach is extended to include the structural elasticity effects. The contribution of this work is, to differentiate the flow-structure coupling methods and to implement the coupled adjoint equations in order to use it within industrially relevant wing-shape optimizations. The advantages of this coupled aeroelastic adjoint approach are that it computes the gradients accurately and nearly independently of the number of design parameters engaged in the optimization, hence it is possible to use high number of design parameters. This allows high-fidelity multipoint optimizations within acceptable computational time. In this context, it is found that the adjoint approach is saving more than 80% of the computational cost when compared to the conventional finite differences approach for computing the gradients. After successfully validating the gradients obtained with the developed approach, four optimization scenarios are performed on a wing-body configuration in a transonic flow regime. The effects of considering several flight points as well as considering some rough weight constraint are tested and this latter constraint shows beneficial results for aerodynamics as well as the structure of the aircraft.

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