Strömungsberechnung und Fluid-Struktur- Interaktion

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Stephanie Brodbeck
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1 Simulations-Sprechtag CAE-Methoden in der Entwicklung von Schiffen, Flugzeugen und Offshore Windkraftwerken Strömungsberechnung und Fluid-Struktur- Interaktion Beispiele aus dem Flugzeugbau 08. November 2012 Dr. Frank Cord Lohmann

Strömungsberechnung und Fluid-Struktur- Interaktion

2 2 inhalt Einführung Vorstellung qpunkt Vorstellung unterschiedlicher Methoden Beispiel 1: Aerodynamik - High Lift Trap Wing Stationäre (Einzel-)Rechnungen Instationärer Polar Sweep Instationäre Rechnung inkl. Klappenfunktion Beispiel 2: Aeroakustik - Fahrwerk Stationäre Rechnungen Ausblick LES Beispiel 3: starke Fluid-Struktur-Wechselwirkung Trudeln Fallschirm Turbine

3 Einführung 3

4 4 mitarbeiter / standorte / kunden MA MA MA Wolfsburg MA MA Stuttgart München Ingolstadt MA Graz

5 5 virtuelle entwicklung bei qpunkt Optimierung Widerstand - Beiwerte - induzierter Widerstand - Optimierung Enteisung - gesetzliche Anforderungen - Abtausimulation - Optimierung Defrost-Düsen - Vereisung Tragflächen - Vereisung Lufteinlässe Fläche / Rumpf Übergang - Analyse Aerodynamik Fläche / Gondel Übergang - Analyse Aerodynamik Belüftung Kabine / Luftpfad - Luftpfadanalyse - Optimierung Kanäle - Optimierung Ausströmer Luftaustritt - Analyse Druckverhältnisse - Optimierung Geometrie Klimatisierung, Komfort - Kabinendurchströmung - Wärmeeintrag Strahlung - Analyse thermischer Komfort Luftansaugung - Analyse Druckverhältnisse - Optimierung Geometrie Bauteilhitzeschutz - Analyse Wärmesituation - Bauteiltemperaturen - Wärmestrahlung Motorkühlung - Analyse Kühlsystem - Darstellung Optimierung

Kanäle - Optimierung Ausströmer Luftaustritt - Analyse Druckverhältnisse - Optimierung Geometrie Klimatisierung, Komfort - Kabinendurchströmung - Wärmeeintrag Strahlung - Analyse thermischer Komfort

6 6 aerodynamik Simulationsmöglichkeiten Stationäre Berechnung Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) Lösung Gemittelte Strömungsgrößen (v, p, ρ, k, ε), Modellierung der Turbulenz Instationäre Berechnung Large Eddy Simulation (LES), direkte Berechnung der großen Wirbel Instationäre Berechnung gekoppelt LES/FSI LES inkl. Fluid Struktur Interaktion (FSI), Bewegung / Verformung von Bauteilen Stationär RANS Instationär LES Instationär LES / FSI

Simulation (LES), direkte Berechnung der großen Wirbel Instationäre Berechnung gekoppelt LES/FSI LES inkl.

7 7 aerodynamik - stationär Stationäre Simulation Nach wie vor Standard bei vielen OEMs und Dienstleistern Vorteile Schnelle Durchlaufzeiten Stabile Simulation Gute Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Designvarianten Geringere Anforderungen an Hardware (CPUs, RAM, Datenmenge) Nachteile Instationäre, physikalische Phänomene werden nicht abgebildet Vergleich mit Windkanalergebnissen oft unzureichend Berechnung von Strömungsablösungen (z.b. an Flügelkanten) schwierig Einsatz von Deltavergleichen für große Anzahl von Modellen, speziell in sehr frühen Entwicklungsphasen

Nachteile Instationäre, physikalische Phänomene werden nicht abgebildet Vergleich mit Windkanalergebnissen oft unzureichend Berechnung von

8 8 aerodynamik - instationär Instationäre Simulation Werden seit einigen Jahren im Entwicklungsprozess involviert Vorteile Instationäre, physikalische Phänomene werden abgebildet Vergleich mit Windkanalergebnissen ist gut Berechnung von Strömungsablösungen deutlich verbessert Nachteile Langsame Durchlaufzeiten (3 Tage) Zum Teil instabile Simulation Schwierige Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Designvarianten (Konvergenz) Große Anforderungen an Hardware (CPUs, RAM, Datenmenge) Einsatz in fortgeschrittenen Entwicklungsphasen und für Detailoptimierungen Aussagen hinsichtlich Aeroakustik teilweise möglich

Durchlaufzeiten (3 Tage) Zum Teil instabile Simulation Schwierige Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Designvarianten (Konvergenz) Große

9 9 aerodynamik instationär fsi Instationäre Simulation mit Fluid Struktur Interaktion (FSI) Methode in Entwicklung qpunkt Vorentwicklungsthema Vorteile Direkte Modellierung von Bewegungen (Propellerdrehung, Klappenfunktion, etc.) Auswirkung der Strömung auf das Flugzeug kann modelliert werden Zustandsänderung der Strömung Hysterese- Effekte können erkannt & berücksichtigt werden Verformung von Bauteilen Veränderung der Strömung Nachteile Sehr langsame Durchlaufzeiten (10 Tage) Zum Teil instabile Simulation Validierung der Berechnungen sehr komplex Enorme Anforderungen an Hardware (CPUs, RAM, Datenmenge) Abbildung dynamischer Effekte besser gegeben

) Auswirkung der Strömung auf das Flugzeug kann modelliert werden Zustandsänderung der Strömung Hysterese- Effekte können erkannt & berücksichtigt werden

10 10 Beispiel 1: Aerodynamik High Lift Trap Wing

11 11 HiLiftPW hintergrund NASA-Benchmark Abgleich kommerzielle CFD-Solver vs. Windkanalmessungen Große Spanne an Anstellwinkeln Frei verfügbare Messergebnisse Offene Fragen Stationäre Rechnungen vs. Polar Sweep Einfluss der Klappenbewegung Transiente Phänomene Berechnung mit Lattice- Boltzmann-Solver XFlow

Messergebnisse Offene Fragen Stationäre Rechnungen vs.

12 HiLiftPW anströmung 13 12

13 HiLiftPW anströmung 37 13

14 14 HiLiftPW ergebnisse einzelsimulation Gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten

15 HiLiftPW polar sweep 15

16 16 HiLiftPW ergebnisse polar sweep Gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten

17 17 HiLiftPW klappenbewegung Klappenbewegung Typisch für Flugzeuge bei Start und Landung Beispiel: Übergang unstowed stowed unstowed Beispiel gerechnet bei 13 Anstellwinkel Vereinfachte Flügelstruktur, keine hydraulischen Elemente, keine Verschalung Fixe Positionen für Vorflügel und Bremsklappe Transferfunktion, um zwischen beiden Flügelkonfigurationen zu wechseln Validierung Keine Windkanalmessungen für Flügel mit eingefahrenen Klappen Daher: Vergleich zu stationärer Berechnung mit eingefahrenen Klappen

Fixe Positionen für Vorflügel und Bremsklappe Transferfunktion, um zwischen beiden Flügelkonfigurationen zu wechseln

18 18 HiLiftPW klappenbewegung t-funktion Piecewise Linear Piecewise Interpolated

19 HiLiftPW klappenbewegung beispiel 19

20 HiLiftPW klappenbewegung simulation 20

21 HiLiftPW klappenbewegung ergebnisse 21

22 22 HiLiftPW klappenbewegung ergebnisse Scherkräfte an der Oberfläche deutlich größere Ablöseregion nach Ein- und Wiederausfahren der Klappen möglicher Hysterese-Effekt? Keine abschließende Beurteilung möglich, da zu viele Unsicherheiten (fehlende Verkleidung, vereinfachte Geometrien, )

23 23 Beispiel 2: Aeroakustik - Fahrwerk

Trendaussagen) Methode für Nearfield (Pseudosound) / Farfield Lärm Berechnungsaufwand (Ressourcen)

24 24 zieldefinition Berechnung des aerodynamisch verursachten Lärms Methode um breitbandigen Schall (Rauschen) zu berechnen Trendaussagen in frühen Designphasen (absolute Werte vs. Trendaussagen) Methode für Nearfield (Pseudosound) / Farfield Lärm Berechnungsaufwand (Ressourcen) industriell leistbar Anwendungsmöglichkeiten in der Luftfahrt Exterior: Landing gears Flaps Winglets Jet engines Interior: Air conditioning systems

25 caa methoden Semi-Analytische Methoden Gültig für akademische Beispiele, einfache Geometrien Nicht geeignet für industrielle Anwendungen Hybride Methoden Basierend auf RANS (Reynolds Averaged

25 25 caa methoden Semi-Analytische Methoden Gültig für akademische Beispiele, einfache Geometrien Nicht geeignet für industrielle Anwendungen Hybride Methoden Basierend auf RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) Ergebnissen zur Rekonstruktion von Quelltermen Beliebig komplexe Geometrien können analysiert werden Ressourcen für die Berechnung sind überschaubar Anwendbar für Strömungsrauschen. Tonale Geräusche (Pfeifen) ist nicht berechenbar, könnte ev. mit URANS (Unsteady RANS) ermittelt werden Direkte Methoden Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Sehr kostspielige Methode, industrielle Anwendbarkeit limitiert

26 26 workflow CAA hybrid approach Step 1: Time averaged CFD simulation Turbulent Kinetic Energy Turbulent Dissipation Rate Background flow ρ 0, u 0, v 0, w 0, p 0 Step 2: Acoustic source generation Step 3: Propagation of the noise (LEE on tetrahedral grids), Ffowcs Williams Hawkings module

27 27 ffowcs williams hawkings modul Möglichkeit um Schallausbreitung über weite Entfernungen zu berechnen Integration of the surface source terms on a porous FWH surface within the CAA domain Prediction of the noise in the far field outside of the CAA domain Ffowcs Williams Hawkings equation can be solved analytically Distance of the observer from the source does not influence the simulation time CAA Domain FWH Surface Observer on the ground

28 28 ergebnisse vereinfachtes modell Comparison with experiments Sound Pressure Levels as a function of the frequency Results near field Results far field (FWH module) Mic. 29, r=0.1 m, θ=0 Mic. 59, r=1 m, θ=67.5

29 29 caa: direkte methoden Aufgrund der Weiterentwicklung der Rechner (High Performance Computing HPC) gewinnen direkte CAA Methoden immer mehr an Bedeutung: Detached Eddy Simulation (DES) Large Eddy Simulation (LES) Direct Numerical Simulation (DNS) Vorteile / Eigenschaften der direkten Methoden: Direkte CAA Methoden sind instationäre Berechnungen, daher steigt der Aufwand naturgemäß Reduktion der Modell-Anzahl im Berechnungs-Workflow, dadurch höhere Ergebnisqualität (weniger Fehlerquellen) Ergebnisqualität hängt stark vom Aufwand ab (Netzgröße/Auflösung, Zeitschritt, Echtzeit)

30 weiterentwicklung der methoden State of the Art 2005 State of the Art

31 31

32 33 Beispiel 3: starke Fluid-Struktur- Wechselwirkung

33 machbarkeitsstudie: trudeln 34

34 machbarkeitsstudie: fallschirm 35

35 qpunkt windturbine 36

36 37 fazit Klassische stationäre Rechnungen bilden viele physikalisch wichtige Phänomene nicht bzw. nicht hinreichend genau ab. Aufgrund immer leistungsfähigerer Rechenressourcen und immer leistungsfähigerer Simulationstools ist die Betrachtung physikalisch komplexer, instationärer Phänomene immer häufiger bzw. immer genauer möglich. Gitterlose / partikelbasierte Solver werden in Zukunft eine große Rolle bei der Simulation instationärer Phänomene spielen.

(0)5308 919 889 11 Fax: +49 (0)5308 919 889 29 frank.cord.

37 vielen dank für ihre aufmerksamkeit Dr. rer. nat. Frank Cord Lohmann Niederlassungsleiter Wolfsburg Phone: +49 (0) Fax: +49 (0) qpunkt DeutschlandGmbH Heinenkamp 24b D Wolfsburg

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