Diskret-Adjungierter aerodynamischer Formoptimierungsprozess am Beispiel eines getrimmten Transportflugzeugs mit aktivem Triebwerk

Kurzfassung

Für die aerodynamische Formoptimierung eines freifliegenden, selbstangetriebenen Flugzeugs müssen die relevanten Steuerflächen und der Triebwerksschub berücksichtigt werden, um den gewünschten Flugzustand als Optimierungsnebenbedingung zu halten. In einem gradientenbasierten Optimierungsprozess finden daher neben dem Basis-RANS-Verfahren die Netzdeformation für Formänderungen und Bewegungen der Steuerflächen, die Triebwerksrandbehandlung und der numerische Trimmprozess Eingang in die Sensitivitätsanalyse. Die wesentlichen Bausteine des adjungierten Prozesses sind: (a) der diskret-adjungierte RANS-Löser TAU mit linearisierter Triebwerksrandbehandlung, (b) die adjungierte Netzdeformation entsprechend der Methode der linearen Elastizität, (c) die differenzierte Freiformdeformation zur Formparametrisierung sowie (d) ein auf einem Pseudo-Newton-Verfahren basiertes Trimm-Modul für die Berücksichtigung der Trimmnebenbedingungen. Der erste Teil des Artikels beschreibt den Aufbau einer gradientenbasierten Optimierungsprozesskette für eine implizit getrimmte, selbstangetriebene Flugzeugkonfiguration unter Berücksichtigung der Triebwerkswirkung. Der primal-duale Simulationsprozess bestehend aus den Bausteinen (a-d) ist in der modularen HPC-Plattform FlowSimulator realisiert, was einen annähernd I/O-freien Workflow ermöglicht. In der adjungierten Sensitivitätsanalyse werden die Zielfunktionsgradienten korrigiert, um die Trimmnebenbedingungen zu berücksichtigen. Im zweiten Teil des Artikels wird die skizzierte Prozesskette zunächst zur Widerstandsminimierung einer stark vereinfachten, getrimmten zweidimensionalen Flugzeugkonfiguration verwendet. Dabei werden zwei Strategien für die Einbehaltung der Trimmnebenbedingungen verglichen. Darauffolgend wird die Anwendbarkeit der Methode für die Optimierung einer generischen, dreidimensionalen Transportflugzeugkonfiguration im Reiseflug demonstriert.