[논문 리뷰] On the Validation and Use of High-Fidelity Numerical Simulations for Gust Response Analysis

Fabien Huvelin, Sylvie Dequand외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 elsA CFD 코드 내에서 Field Velocity Method (FVM)와 선형화된 URANS 방정식을 사용하여 난류 반응을 예측하기 위한 고정밀도 기계적 탄성 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 실험적으로 검증된 결과, 활성 스테이터리어 제어면 제어를 통해 최대 29.2%의 하중 완화 효과를 입증하여 현대의 유연한 항공기 설계에 효과적임을 입증한다.

ABSTRACT

Specific gust response is considered as one of the most important loads encountered by an aircraft. The Certification Specification (CS) 25, defined by the European Aviation Safety Agency (EASA), and the Federal Aviation Regulations (FAR) 25, defined by the Federal Aviation Administration (FAA), describe the critical gusts that an aircraft must withstand. They must be analyzed for a large range of flight points (Altitude and Equivalent Air speed) and mass configurations. For some load cases, the standard tools could not be accurate enough to correctly predict the gust response and the use of high-fidelity computation could be required. Therefore, ONERA has implemented in its in-house Computational Fluid Dynamics (CFD) code elsA (ONERA-Airbus-Safran property) the capability to compute the high-fidelity aeroelastic gust response, directly in the time-domain, for different discrete gust shapes.This paper presents some recent work achieved at ONERA concerning high-fidelity simulations for gust response. First, a physical validation of the gust response simulation is performed by comparing the results to those obtained experimentally on a scaled model. Second, numerical comparisons are performed using various techniques, in order to model the gust. Finally, an application for generic regional aircraft is shown.

연구 동기 및 목표

• 현대적이고 유연한 항공기에서 정확한 난류 반응 예측을 위한 고정밀 수치 도구의 개발 및 검증
• 강한 비선형성으로 인해 초음속 영역에서 선형 주파수 도메인 방법(예: DLM)의 한계를 극복하기 위해
• 실제의 이산 난류와 제어면 운동을 고려한 시간 도메인 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해
• 스테이터리어 제어면(예: 스테이터리어)을 활용한 난류 하중 완화 잠재력 평가
• 인증 기준 도구의 대안으로서 검증된 고정밀도 도구를 비판적 설계 포인트에 제공하기 위해

제안 방법

• 이산 난류를 몸체력 속도장으로 모델링하기 위해 elsA CFD 솔버에 Field Velocity Method (FVM)를 구현
• 시간 일致성 있는 유체-구조 상호작용을 확보하기 위해 비정상 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 방정식(URANS)을 사용한 고정밀 유동 시뮬레이션
• Ael 모듈을 통한 elsA CFD 솔버와 구조 유한요소 모델 간의 결합을 통해 기계적 탄성 응답 예측 수행
• 빠른 계산을 위해 주파수 도메인에서 선형화된 URANS 방정식을 적용하면서도 핵심 비선형 유동 특성을 유지
• 하중 완화 전략 평가를 위해 사전 정의된 제어면 운동(예: 스테이터리어의 기울임)을 통합
• 스케일드 항공기 모델에 난류 발생기 장착된 다이내믹 풍동 실험 데이터를 사용한 검증 수행

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FVM 기반 고정밀 시뮬레이션은 실험 데이터와 비교해 난류 유도 기계적 탄성 응답을 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 FVM와 선형화된 URANS 간의 다양한 난류 모델링 기법이 구조적 하중과 변형을 예측하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ3 활성 제어면 기울임(예: 스테이터리어)이 고정밀 시뮬레이션에서 피크 난류 하중을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 충격파 및 분리와 같은 비선형 유동 현상이 초음속 영역에서의 난류 반응 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 선형화된 URANS 접근법은 인증 관련 하중 사례에 충분한 정확도를 확보하면서도 계산 효율성이 높은 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• FVM 기반 고정밀 시뮬레이션은 압력 분포와 날개 변형 모두에서 실험 풍동 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 방법의 정확성을 검증하였다.
• 시간 도메인 FVM 시뮬레이션은 충격 형성과 유동 분리와 같은 복잡한 비선형 효과를 정확히 포착하였으며, 선형 방법이 간과할 수 있는 요소들을 포함하였다.
• 스테이터리어 운동은 난류 통과 중 피크 전단력 11.9% 감소와 피크 군형 모멘트 29.2% 감소를 이끌어내어 효과적인 하중 완화를 입증하였다.
• 스테이터리어 제어로 인해 휘어짐 모멘트 피크가 완전히 제거되었으며, 제어 종료 후 2초 내에 부차적 진동이 감쇠되었다.
• 선형화된 URANS 접근법은 전체 FVM 결과와 양호한 상관관계를 보이며 계산 효율성이 뛰어난 대안을 제공하였다. 특히 정현파 난류 반응에 대해 유사한 성능을 보였다.
• 이 연구는 현대의 고비율 승력 날개를 지닌 고도로 유연한 항공기에서 정확한 난류 하중 예측을 위해서는 고정밀 시뮬레이션이 필수적임을 확인하였다.