[论文解读] On the Validation and Use of High-Fidelity Numerical Simulations for Gust Response Analysis

Fabien Huvelin, Sylvie Dequand+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 17被引用 5

一句话总结

该论文在elsA CFD代码中提出了一套高保真度的气动弹性仿真框架，采用场速度法（FVM）和线性化URANS方程预测阵风响应。该方法通过缩比模型的风洞实验进行了验证，并通过主动副翼控制实现了显著的载荷缓解（最高达29.2%），证明其在现代柔性飞机设计中的有效性。

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.

研究动机与目标

• 开发并验证高保真度数值工具，以实现对现代柔性飞机阵风响应的精确预测。
• 克服线性频域方法（如DLM）在跨声速区域强非线性情况下的局限性。
• 实现包含真实离散阵风和控制面运动的时域流固耦合仿真。
• 评估通过副翼等主动控制面实现阵风载荷缓解的潜力。
• 为关键设计点提供经验证的、高保真度的替代认证标准工具。

提出的方法

• 在elsA CFD求解器中实现场速度法（FVM），将离散阵风建模为体积分量速度场。
• 采用非定常雷诺平均纳维-斯托克斯（URANS）方程进行高保真度流场模拟，并实现时间一致的流固耦合。
• 通过Ael模块将elsA CFD求解器与结构有限元模型耦合，实现气动弹性响应预测。
• 在频域中应用线性化URANS方程，以实现更快计算，同时保留关键非线性流场特征。
• 引入预设的控制面运动（如副翼偏转）以评估载荷缓解策略。
• 利用配备阵风发生器的缩比飞机模型在动态风洞实验中获取的实验数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于FVM的高保真度CFD仿真能否与实验数据相比，准确预测阵风引起的气动弹性响应？
• RQ2 不同阵风建模方法（FVM与线性化URANS）在预测结构载荷和变形方面有何对比？
• RQ3 在高保真度仿真中，主动控制面偏转（如副翼）在多大程度上可降低峰值阵风载荷？
• RQ4 在跨声速区域，激波和分离等非线性流体现象如何影响阵风响应预测？
• RQ5 线性化URANS方法能否在计算效率与足够精度之间取得平衡，成为认证相关载荷工况的可行替代方案？

主要发现

• 基于FVM的高保真度仿真在压力分布和机翼变形方面与风洞实验数据高度一致，验证了该方法的准确性。
• 时域FVM仿真捕捉到了激波形成和流动分离等复杂非线性效应，而线性方法可能无法识别这些现象。
• 副翼运动使阵风通过期间的峰值剪切力降低了11.9%，峰值弯矩降低了29.2%，证明了有效的载荷缓解效果。
• 通过副翼控制，扭转力矩峰值被完全消除，且在控制停止后2秒内二次振荡得到抑制。
• 线性化URANS方法提供了计算高效的替代方案，与完整FVM结果具有良好的相关性，尤其适用于谐和阵风响应。
• 研究证实，对于高展比机翼的现代柔性飞机，高保真度仿真对准确预测阵风载荷至关重要。