Untersuchung von Parametrisierungsmethoden und Zielfunktionen zur Optimierung von Profilen eines transsonischen Tragflügels

Abstract

Es wurde der Einfluss verschiedener Parametrisierungsmethoden und Zielfunktionen bei der numerischen Optimierung von Profilen transsonischer Tragflügel untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wurden Optimierungsrechnungen durch zweidimensionale RANS-Simulation der Profilumströmung durchgeführt. Im Mittelpunkt stand dabei der Einfluss verschiedener Zielfunktionen auf das Optimierungsergebnis. Dafür wurden Zielfunktionen hergeleitet, die neben rein aerodynamischen Aspekten auch andere wichtige Gesichtspunkte des Profilentwurfs bezüglich Strukturgewicht und Flugmechanik berücksichtigen. In Verbindung mit diesen Zielfunktionen wurden die Parametrisierungsmethoden CST, B-Spline und Hicks-Henne verglichen. Zur Optimierung wurde die Subplex-Variante des Nelder-Mead-Algorithmus verwendet. Diese wurde an einem Beispiel mit einem evolutionären Optimierungsalgorithmus verglichen. Darüber hinaus wurden Vergleichsrechnungen mit verschiedenen Parameteranzahlen durchgeführt und Möglichkeiten analysiert, diese möglichst gering zu halten. Zuletzt wurde der Einfluss praxisnaher geometrischer Randbedingungen auf das Optimierungsergebnis untersucht. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die im ersten Teil verwendete Prozesskette zur Optimierung von Profilen eines Trapezflügels verwendet. Die dreidimensionale Strömung wurde unter Vernachlässigung von Viskositätseffekten simuliert. Es wurde der Einfluss der Anzahl parametrisierter Profilschnitte auf das Optimierungsergebnis untersucht. Abschließend wurden Vergleichsrechnungen mit den im ersten Teil dieser Arbeit hergeleiteten Zielfunktionen durchgeführt. Sowohl die untersuchten Zielfunktionen als auch die geometrischen Randbedingungen haben sich in den exemplarisch durchgeführten Rechnungen zur gezielten Berücksichtigung von Entwurfsforderungen bewährt. Darüber hinaus haben die Rechnungen Informationen geliefert, die künftig bei der Wahl der Optimierungs- und Parametrisierungsmethoden sowie der Entwurfsparameter hilfreich sein können. Dieser Bericht ist im Rahmen einer Diplomarbeit für das Institut für Flugzeugbau (IFB) der Universität Stuttgart entstanden.