Eine netzfreie Last-/Verformungsinterpolationsmethode im FlowSimulator für Anwendungen in statischen aeroelastischen Simulationen von Flugzeugen - Implementierung und Analyse

Abstract

Einer der wesentlichen Aspekte im Entwicklungsprozess moderner Flugzeuge ist die frühzeitige Erfassung aeroelastischer Einflüsse auf Flugleistung und Stabilität. Der numerischen Simulation mit hochgenauen Verfahren kommt dabei in immer zunehmendem Maße eine tragende Rolle zu. In der industriellen Praxis haben sich sogenannte partitionierte Simulationsverfahren durchgesetzt. In ihnen werden die Verfahren miteinander gekoppelt, die in der Industrie zur hochgenauen Simulation der Einzeldisziplinen „Aerodynamik“ und „Strukturdynamik“ etabliert sind. Die korrekte numerische Umsetzung der zwischen Aerodynamik und Strukturdynamik bestehenden Kopplungsbedingungen ist ein wesentlicher, sensitiver Aspekt von partitionierten Verfahren. Insbesondere herausfordernd ist die korrekte räumliche Übertragung von aerodynamischen Kräften und strukturdynamischen Verschiebungen auf unterschiedlich diskretisierten Netzen. Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen dieser Arbeit ein netzfreier Ansatz zur Last-Verformungs-Übertragung basierend auf der Veröffentlichung von Quaranta et al. umgesetzt, welcher nur auf Knoteninformationen basiert und keinerlei Konnektivitätsinformationen benötigt. Die Implementierung erfolgt im Rahmen der FlowSimulator-Softwareumgebung. Zur Wahrung eines physikalisch korrekten und konservativen Transfers aeroelastischer Kopplungsgrößen kommt zudem eine bauteil-basierte Kopplung einzelner Flugzeugkomponenten zum Einsatz, welches jedoch spezielle Anpassungen des netzfreien Ansatzes erfordert. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit besteht in der Parallelisierung des Ansatzes nach Quaranta, um eine effiziente Berechnung detaillierter Flugzeugmodelle zu ermöglichen. Hauptproblematik der Parallelisierung ist die verteilte Suche nach Stützstellen durch die zugrundeliegende Gebietszerlegungen der auf Seiten der Aerodynamik und Strukturdynamik eingesetzten Netze. Zur Lösung kommt in der Arbeit ein Bounding-Box-basierter k-d-Baum zum Einsatz, welcher eine effiziente partitionsunabhängige Stützstellensuche im parallelen Kontext ermöglicht. Die Effizienz des parallelen Algorithmus wurde bis zu einer Anzahl von 96 Prozessen demonstriert. Die Eignung des Algorithmus für komplexe aeroelastische Fragestellungen wurde bestätigt.