Global stability analysis of elastic aircraft in edge-of-the-envelope flow
Global stability analysis of elastic aircraft in edge-of-the-envelope flow
复制标题
包络线边缘流中弹性飞机的全局稳定性分析
DOI：
10.1017/jfm.2023.413
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发表时间：
2023
影响因子：
3.7
通讯作者：
Houtman J
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Houtman J
机翼上的激波抖振是由强烈的激波/边界层相互作用引起的一种现象，这种相互作用首先导致自持流动的不稳定，最终导致称为抖振的有害结构响应。虽然它是机翼设计和飞机认证的一个重要方面，特别是对于现代跨音速航空运输，但并不是所有的基础多学科物理都被彻底理解。在单学科冲击抖振稳定性研究的基础上，这项工作现在研究弹性结构在这些极端流动条件下的影响。具体而言，三整体稳定性分析的流固耦合系统，利用隐式重新启动Arnoldi方法与稀疏迭代Krylov求解器和新的预条件。基于风洞中基本几何结构有限元模型的静态气动弹性模拟产生的不对称性修改了早期仅流体对称全跨度分析的全局模式。在低于激波抖振开始的风洞流动条件下进行的颤振稳定性分析发现，结构自由度没有不稳定性，而在具有全局不稳定流体模式的激波抖振流动中，出现了额外的边缘不稳定结构（和流体）模式。所开发的耦合分析稳定性工具有助于识别标准pk型（p为特征值，k为折减频率）颤振分析失败的物理相关和强耦合模式。通过对伴随本征模的补充计算，将不稳定性的核心精确地定位在一个相对较小的机翼面积上，这可能有助于控制和延迟这种有害的跨音速不稳定性。我们对弹性机翼结构的存在如何影响纯气动三维激波抖振动力学的问题作出了贡献。
Shock buffet on wings is a phenomenon caused by strong shock-wave/boundary-layer interaction resulting first in self-sustained flow unsteadiness and eventually in a detrimental structural response called buffeting. While it is an important aspect of wing design and aircraft certification, particularly for modern transonic air transport, not all of the underlying multidisciplinary physics is thoroughly understood. Building upon a single-discipline shock-buffet stability study, this work now investigates the impact of an elastic structure in these extreme flow conditions. Specifically, a triglobal stability analysis of a fluid–structure coupled system is presented, utilising the implicitly restarted Arnoldi method with a sparse iterative Krylov solver and novel preconditioner. Asymmetry resulting from a static aeroelastic simulation based on a finite-element model of the underlying geometry in a wind tunnel modifies the global modes of the earlier fluid-only symmetric full-span analysis. A flutter stability analysis at wind-tunnel flow conditions below shock-buffet onset finds no instability in the structural degrees-of-freedom, whereas in shock-buffet flow with globally unstable fluid modes additional marginally unstable structural (and fluid) modes emerge. The developed stability tool for coupled analysis is instrumental in identifying those physically relevant and strongly coupled modes where a standard pk-type (p being eigenvalue and k reduced frequency) flutter analysis fails. With the complementary computation of adjoint eigenmodes, the core of the instability is pinpointed to a relatively small wing area which may help to effect the control and delay of this detrimental transonic unsteadiness. We contribute to the question on how the presence of the elastic wing structure impacts on the otherwise pure aerodynamic three-dimensional shock-buffet dynamics.
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