Investigação da dinâmica aeroelástica de um aerofólio utilizando CFD
Data
2023-05-26
Autores
Carnielo, Bianca Taís Visoná
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
Técnicas de solução de problemas envolvendo interações fluido-estrutura (FSI) são utilizadas em problemas industriais para aplicações aeroespaciais, sendo em alguns casos as forças aerodinâmicas calculadas a partir das equações de Navier-Stokes utilizando CFD (do inglês, Computational Fluid Dynamic). Em particular, soluções de problemas FSI podem ser obtidas empregando o software livre SU2, desenvolvido e mantido pela Universidade de Stanford, EUA. Neste contexto, o presente trabalho consiste na análise aeroelástica de um aerofólio NACA 0012 com movimentos em pitch e plunge em diferentes condições de escoamento subsônico e na alteração do código de solução estrutural do SU2 para incluir uma não-linearidade estrutural de rigidez cúbica. A solução do escoamento é obtida através das equações URANS (do inglês Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes Equations), combinada com o modelo de turbulência SST k-omega. O modelo estrutural é obtido através do método dos Elementos Finitos usando o software Nastran, para se obter os modos de vibrar e as frequências do sistema estrutural. A solução da dinâmica estrutural envolve um código escrito em Python, que utiliza o método alpha-generalizado para realizar a integração numérica das equações do movimento no domínio do tempo, que também é adaptado para resolver o sistema incluindo a não-linearidade. As malhas estrutural e fluidodinâmica são não coincidentes, e por isso utiliza-se o método de interpolação RBF (do inglês Radial Basis Functions). Os resultados das simulações computacionais mostram o comportamento da estrutura tanto no domı́nio do tempo quanto da frequência. As condições de escoamento são alteradas de forma a mapear a dinâmica do aerofólio até se verificar o movimento instável, para o qual é possível observar fenômenos como o aumento das amplitudes de oscilação ao longo do tempo e presença de choque aerodinâmico. Os resultados para os casos com não-linearidade estrutural mostram um maior amortecimento aeroelástico em comparação ao caso linear,em condições estáveis. Por outro lado, para condições instáveis, a não-linearidade contribui para se manter as amplitudes constantes ao longo do tempo, que sugerem a possível presença de oscilações de ciclo limite.
Fluid-structure interactions (FSI) solution techniques are widely used in industrial problems for aerospace applications, in which aerodynamic forces are computed from the Navier-Stokes equations using CFD (Computational Fluid Dynamic). In particular, solutions to FSI problems can be obtained using the free software SU2, developed and maintained by Stanford University, USA. In this context, the present work consists of the aeroelastic analysis of a NACA 0012 airfoil free in pitch and plunge under different subsonic flow conditions and the change of SU2 structural solution code to include a structural cubic stiffness non-linearity . The flow solution is obtained through the URANS equations ( Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes Equations), combined with the turbulence model SST k-omega. The structural model is described by the Finite Element method solved using the Nastran software, to obtain the structural modes and frequencies. The solution of the structural dynamics involves a computational code written in Python, which uses the alpha-generalized method to perform integration in time, later adapted to solve the non-linearity. The structural and fluid meshes are not coincident, so it is used the RBF (Radial Basis Functions) interpolation method. The results of the numerical simulations show the behavior of the structure both in the time and frequency domain. The flow conditions are changed to map the dynamics of the airfoil until the unstable movement is verified, where it is possible to observe phenomena such as the increase in oscillation amplitudes over time and presence of aerodynamic shock. The results including structural non-linearity show greater aeroelastic damping compared to the linear case in the stable cases. On the other hand, for the unstable conditions the non-linearity contributes to the system achieves constant amplitudes in oscillating motion over time, indicating a possible limit cycle.
Fluid-structure interactions (FSI) solution techniques are widely used in industrial problems for aerospace applications, in which aerodynamic forces are computed from the Navier-Stokes equations using CFD (Computational Fluid Dynamic). In particular, solutions to FSI problems can be obtained using the free software SU2, developed and maintained by Stanford University, USA. In this context, the present work consists of the aeroelastic analysis of a NACA 0012 airfoil free in pitch and plunge under different subsonic flow conditions and the change of SU2 structural solution code to include a structural cubic stiffness non-linearity . The flow solution is obtained through the URANS equations ( Unsteady Reynolds-Averaged Navier Stokes Equations), combined with the turbulence model SST k-omega. The structural model is described by the Finite Element method solved using the Nastran software, to obtain the structural modes and frequencies. The solution of the structural dynamics involves a computational code written in Python, which uses the alpha-generalized method to perform integration in time, later adapted to solve the non-linearity. The structural and fluid meshes are not coincident, so it is used the RBF (Radial Basis Functions) interpolation method. The results of the numerical simulations show the behavior of the structure both in the time and frequency domain. The flow conditions are changed to map the dynamics of the airfoil until the unstable movement is verified, where it is possible to observe phenomena such as the increase in oscillation amplitudes over time and presence of aerodynamic shock. The results including structural non-linearity show greater aeroelastic damping compared to the linear case in the stable cases. On the other hand, for the unstable conditions the non-linearity contributes to the system achieves constant amplitudes in oscillating motion over time, indicating a possible limit cycle.
Descrição
Palavras-chave
Não-linearidade, SU2, Interação fluido-estrutura, CFD, Aeroelasticidade, Non-linearity, Fluid-structure interaction, Aeroelasticity