Aéroélasticité et dynamique des structures
Aéroélasticité théorique des avions, lanceurs et missiles
Développement du couplage fluide-structure avec elsA
Le département de Aéroélasticité et dynamique des structures poursuit le développement du couplage fluide-structure avec une modélisation fluide Navier-Stokes, en adoptant pour le calcul de l'écoulement le logiciel elsA développé par le département Simulation numérique des écoulements et aéroacoustique (DSNA).
Un cadre de développement très général a été adopté pour l'ensemble des fonctionnalités de simulation aéroélastique. Ces fonctionnalités comprennent les simulations instationnaires en mouvement imposé, le couplage statique avec matrice de flexibilité réduite, le couplage statique et dynamique en approche modale, et enfin le couplage statique et dynamique avec le modèle structural éléments finis complet. Une approche et une programmation « orientées objet » ont été mises en œuvre pour définir un sous-système d'elsA dédié à la partie « calcul structure » du problème couplé. Une notion d'interface aéroélastique, stockant les données communes aux calculs fluide et structure, a également été définie. Des méthodes génériques, spécialisées suivant le type de simulation aéroélastique, ont enfin été développées pour gérer les interactions entre les calculs fluide et structure, au travers de l'interface aéroélastique (Fig. 1).
Figure 1 : Notion d'interface aéroélastique pour le couplage fluide-structure dans elsA
(en plus grand)
Dans le cas du couplage statique, le calcul des déformations est basé sur l'utilisation d'une matrice de souplesse réduite, elle-même obtenue à partir du modèle éléments finis Nastran. Des outils de déformation de maillage sont utilisés pour prendre en compte les déplacements des surfaces déformables de la structure. Ils sont fondés soit sur les techniques d'analogie structurale mises en oeuvre au département DADS, soit sur la combinaison de techniques analytiques et d'interpolation transfinie développées par Airbus et le Cerfacs. Les différents types de simulation aéroélastique fonctionnent également en mode parallèle.
La figure 2 visualise le résultat d'une simulation de couplage statique Navier-Stokes tridimensionnelle, dans le cas d'une configuration industrielle voilure / mats / nacelles. Le maillage structuré aérodynamique comprend environ 7 millions de nœuds, répartis dans 91 domaines. Le calcul a été effectué en parallèle sur 15 processeurs du cluster de stations HP du CCRT.
Figure 2a : Pressions pariétales de l’ensemble voilure / mâts / nacelles
Figure 2b : Déformation statique correspondante
Des calculs destinés à valider le couplage dynamique ont également été effectués en bidimensionnel, dans le cas du profil NLR7301 avec un modèle structural à deux degrés de liberté. Des cas de cycles limites d’oscillations ont été mis en évidence expérimentalement au DLR sur ce profil. La prédiction de ce phénomène de LCO, induits ici par les non linéarités de l’écoulement, nécessite de calculer la réponse dynamique sur un intervalle de temps suffisamment long, voir Figure 3. Le calcul présenté utilise la technique du pas de temps dual, la technique multi grilles, et un schéma temporel "Backward-Euler" associé à une phase implicite Lussor.
Figure 3a : Modèle structural du profil NLR7301utilisé pour valider le couplage dynamique
Figure 3b : calcul de cycles limites d’oscillations pour le profil NLR7301, M=0.754
