An integrative design-through-analysis paradigm for higher-order computational aerodynamics and aeroelasticity

高阶计算空气动力学和气动弹性的综合设计分析范式

基本信息

项目摘要

To guarantee safety and fine-tune performance of next-generation light-weight aircraft, integrating aerodynamic and aeroelastic simulations early in the design process is essential. This necessitates the transfer of computer-aided geometric designs into physics-based computer simulations, currently based on geometry processing and mesh generation methods that are often time-consuming, error-prone and require frequent manual intervention. This constitutes a considerable barrier to creating rapid design-through-analysis workflows, with significant negative impact on cost and turnaround times of aircraft design processes. The overarching hypothesis of the proposed project is that a new integrative design-through-analysis paradigm based on parametric geometry modeling, isogeometric structural analysis, and embedded domain computational fluid dynamics can significantly improve the integration of design and simulation. While parametric modeling techniques are available in many commercial design tools and isogeometric analysis is currently growing into a mature simulation methodology, embedded domain CFD remains plagued by serious technology gaps that prevent its reliable and efficient application for high-fidelity aerodynamic simulations. Prominent problems include the detrimental impact of elements with small cuts on conditioning and time step size, low-order accuracy of quadrature rules in cut elements, sub-optimal near-boundary accuracy, and algorithms that are unsuitable for emerging heterogeneous computing architectures. From a technology viewpoint, the objective of the proposed project is therefore to devise and test a range of new methods that can effectively close these gaps and remove long-held concerns of the computational sciences community against embedded domain CFD. These improvements constitute the basis for a new class of next-generation embedded domain CFD technologies that enable robust, efficient and higher-order accurate aerodynamic simulations at very large scales.From the design-through-analysis perspective, the overarching goal of the proposed project is to employ the envisioned integrative paradigm, spurred by the improved embedded domain CFD technologies, in such a way that a single engineer is enabled to conceive, create, analyze, and interpret a large ensemble of simulations in a time-critical period. This is demonstrated by aerodynamic and aeroelastic simulations of a series of challenging aeronautics and turbomachinery scenarios, showcasing the potential of the integrative framework for further automating design-through-analysis workflows at an industry scale.
为了保证下一代轻型飞机的安全性和性能微调,在设计过程的早期集成空气动力学和气动弹性模拟是必不可少的。这需要将计算机辅助几何设计转换为基于物理的计算机模拟,目前基于几何处理和网格生成方法,这些方法通常耗时,容易出错,需要频繁的人工干预。这对建立快速的分析设计工作流程构成了相当大的障碍,对飞机设计过程的成本和周转时间产生了重大的负面影响。该项目的总体假设是,一个新的综合设计通过分析的范例参数化几何建模,等几何结构分析,嵌入式域计算流体动力学的基础上,可以显着提高设计和仿真的集成。虽然参数化建模技术在许多商业设计工具中可用,并且等几何分析目前正在发展成为一种成熟的模拟方法,但嵌入式领域CFD仍然受到严重技术差距的困扰,这些差距阻碍了其可靠和有效的应用,无法进行高保真空气动力学模拟。突出的问题包括具有小切口的元件对条件和时间步长的不利影响,在切口元件中求积规则的低阶精度,次优的近边界精度,以及不适合新兴异构计算架构的算法。因此,从技术角度来看,拟议项目的目标是设计和测试一系列新方法,这些方法可以有效地缩小这些差距,并消除计算科学界对嵌入式领域CFD的长期担忧。这些改进构成了新一代嵌入式领域CFD技术的基础,这些技术能够在非常大的尺度上进行鲁棒、高效和高阶精确的气动模拟。从分析设计的角度来看,拟议项目的首要目标是采用设想的综合范例,受到改进的嵌入式领域CFD技术的推动,使得单个工程师能够在时间关键时期内构思、创建、分析和解释大量仿真集合。这一点通过一系列具有挑战性的航空和气动弹性方案的空气动力学和气动弹性模拟来证明,展示了集成框架在工业规模上进一步自动化设计分析工作流程的潜力。

项目成果

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