Valutazione dell'impatto delle tolleranze dimensionali sullo sviluppo dello strato limite e studio sul ritardo della transizione dello strato limite per flusso attorno ad ali rastremate utilizzando un metodo di ottimizzazione basato sull'aggiunto

Abstract

Questa ricerca introduce un metodo basato sul metodo dell'aggiunto per due tipi di studi volti a mantenere il flusso laminare su superfici aerodinamiche rastremate: determinare le tolleranze di produzione soggette ad escrescenze ondulate e l'ottimizzazione della forma per ritardare la transizione dello strato limite. Pur concentrandosi su un profilo alare a flusso laminare naturale, la metodologia e l'algoritmo sono generalizzati a qualsiasi caso. La considerazione delle ali rastremate ha reso necessaria l'implementazione di una trasformazione 2.5D, con risultati di convalida forniti. La crescita delle perturbazioni instabili convettive viene calcolata risolvendo le equazioni di Eulero, dello strato limite e di stabilità PSE. Il gradiente dell'energia cinetica delle perturbazioni nello strato limite rispetto ai punti della griglia superficiale viene calcolato risolvendo le equazioni aggiunte. L'utilizzo delle informazioni dell'analisi di sensitività varia a seconda dello studio specifico in considerazione. Per condizioni di volo specifiche, viene impiegato il metodo della salita più ripida (GA) per identificare il profilo ondulato che induce un aumento specifico nel valore massimo del fattore N, ΔN. Le simulazioni numeriche utilizzano il profilo alare NLF(2)-0415 a vari angoli di attacco, numeri di Reynolds e numeri di Mach per esaminare i loro effetti sulle tolleranze calcolate. Sono considerati angoli di attacco tra -1,00° e 1,75°, numeri di Reynolds tra 9 × 10^6 e 15 × 10^6, e numeri di Mach tra 0,45 e 0,6 per profili ondulati con diverse gamme di lunghezze d'onda. Nello studio di ritardo della transizione, la forma ottimale del profilo alare viene determinata utilizzando il metodo della discesa più ripida (GD) proponendo la parametrizzazione del gradiente ricorrendo alle Hicks-Henne bump functions. Lo studio ha evidenziato un potenziale promettente ma ulteriori studi per completare l'implementazione dell'algoritmo sviluppato sono necessari.

This research introduces an adjoint-based method for two types of studies aimed at maintaining laminar flow over swept aerodynamic surfaces: determining manufacturing tolerances subject to wavy excrescences and shape optimization to delay boundary layer transition. While focusing on a natural laminar flow airfoil, the methodology and algorithm are generalized to any case. The consideration of swept wings necessitated the implementation of a 2.5D transformation, with validation results provided. The growth of convective unstable disturbances is computed by solving Euler, boundary layer, and parabolized stability equations. The gradient of the kinetic energy of disturbances in the boundary layer with respect to surface grid points is calculated by solving adjoints of the governing equations. The utilization of sensitivity analysis information varies depending on the specific study under consideration. For specific flight conditions, the steepest ascent method (GA) is employed to identify the waviness profile that induces a specific increase in the maximum value of the N-factor, ΔN. Numerical simulations utilize the NLF(2)-0415 airfoil across varying angles of attack, Reynolds numbers, and Mach numbers to examine their effects on computed tolerances. Angles of attack between -1.00° and 1.75°, Reynolds numbers between 9 × 10^6 and 15 × 10^6, and Mach numbers between 0.45 and 0.6 are considered for waviness profiles with different ranges of wavelengths. In the transition delay study, the optimal airfoil profile shape is determined using the steepest descent method (GD). To parameterize the shape of the gradient and find the optimal perturbation of the surface, the projection onto the space of Hicks-Henne bump functions is proposed, along with some simple shape smoothing approaches. This section of the work focuses on the development of computational algorithms, presenting the codes. Results obtained are also discussed.