Vergleich und Bewertung von Parametrisierungsmethoden zur Optimierung von transsonischen Tragflügelprofilen

Kurzfassung

In der Luftfahrtindustrie ist die Grundkonfiguration des Verkehrsflugzeuges schon seit vielen Jahren unverändert. Rein optisch unterscheiden sich Langstreckenflugzeuge von vor 30 Jahren von den heutigen kaum. Die trotzdem unbestrittene Entwicklung dieses Verkehrsmittels ist vor allem auf die starke Detailoptimierung jeder Komponente zurückzuführen. Um den massiven Zeitaufwand solcher Verbesserungen zu begrenzen und auch neue Flugzeugkonfigurationen betrachten zu können, wird seit einigen Jahren die rechnerische Optimierung von Baugruppen immer weiter vorangetrieben. Möglich macht dies die stark gestiegene Rechenleistung der verfügbaren Computer. Jedoch benötigen auch die eingesetzten Rechnerverbunde bei komplexen Aufgabenstellungen meist mehrere Tage oder sogar Wochen, um eine Lösung zu finden. Da diese Rechenzeit teuer bezahlt werden muss, sind Methoden interessant, die mit möglichst geringem Aufwand arbeiten. Da in der Flügelauslegung meist dreidimensionale Konfigurationen bearbeitet werden, die von sich aus schon viele Parameter zur Darstellung benötigen, sollen die verwendeten Profile mit möglichst wenigen zusätzlichen Parametern auskommen. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Untersuchung verschiedener Parametrisierungsmethoden für Tragflügelprofile. Die Methoden sollen bei der Optimierung eines transsonischen Tragflügelprofils den schädlichen Wellenwiderstand senken. Untersucht werden soll der Einfluss der Methode und der Anzahl der genutzten Parameter auf das Ergebnis der Optimierung. Es wurden drei als geeignet befundene Parametrisierungsmethoden ausgewählt und näher betrachtet. Zur automatisierten Optimierung der Profile wurde eine Programmkette aufgebaut. Diese beginnt bei einem selbstgeschriebenen Programm, in welchem die Geometrieerstellung der einzelnen Paramtrisierungsmethoden implementiert ist. Über eine Anbindung der CADSoftware CATIA wird die endgültige Kontur für den Netzgenerator erstellt. Die anschließende Strömungslösung stellt die aerodynamischen Kennwerte zur Verfügung, mit denen der Optimierungsalgorithmus die Lösung bewertet. Als Optimier-Algorithmus wurde das Nelder-Mead-Subplex-Verfahren eingesetzt, das als robust und zuverlässig gilt. Die Koordinierung der einzelnen Programme wurde von einem Optimierungsframework übernommen, in dem die gesamte Programmkette erstellt wurde. Nach einer kurzen Beschreibung der Hintergründe der transsonischen Aerodynamik, wird die Programmkette mit allen beteiligten Programmen beschrieben. Im Anschluss werden die verwendeten Parametrisierungsmethoden vorgestellt. Die Darstellung der Ergebnisse teilt sich auf in die Beschreibung der Resultate der Parametrisierung zweier Ausgangsprofile und in die Vorstellung der verschiedenen Optimierungsrechnungen.