A fluid-structure coupling environment between SU2 and MBDyn using preCICE applied to helicopter rotor simulation.

This paper presents the implementation of an open-source coupling framework between the high-fidelity computational fluid dynamics code SU2 and the multibody structural dynamics solver MBDyn using preCICE coupling library to realize aeroelastic simulations of helicopter rotors. While subtle features of the flow such as vortices need to be caught by the fluid solver to provide an accurate distribution of the loads on the structure, the blades can be modeled as simple beam elements whose cross-sections remain rigid. Computational resources can then be saved using a multibody dynamics code that does not integrate a full continuum mechanics problem. A mapping strategy based on a dummy node mesh is consequently implemented to interpolate the 2D aerodynamic surfaces with the 1D beams modeling the structure in order to solve 3D aeroelastic problems. A large variety of partitioned coupling schemes and mapping procedures can be then exploited to catch different levels of interaction. The environment is first validated on a strongly coupled 2D test case modeling the oscillations of a flap caused by a cortical flow trailing behind a square body using an implicit procedure. The steady hover of a bo-105 hingeless rotor derived from the HARTII experimental setup is finally obtained through an explicit procedure. The capacity of the high-fidelity fluid solver within the coupling environment to estimate accurate load distribution onto the blades using the new mapping feature is demonstrated by comparison with the solution obtained with MBDyn using its low-fidelity in-house aerodynamic solver.

Questo documento presenta l'implementazione di un framework di accoppiamento open-source tra il codice di fluidodinamica computazionale ad alta fedeltà SU2 e il risolutore di dinamiche strutturali multicorpo MBDyn utilizzando la libreria di accoppiamento preCICE per realizzare simulazioni aeroelastiche di rotori di elicotteri. Mentre le caratteristiche sottili del flusso come i vortici devono essere catturate dal risolutore fluido per fornire un'accurata distribuzione dei carichi sulla struttura, le pale possono essere modellate come semplici elementi a trave le cui sezioni trasversali rimangono rigide. Le risorse computazionali possono quindi essere salvate utilizzando un codice di dinamica multicorpo che non integra un problema di meccanica del continuum completo. Di conseguenza, viene implementata una strategia di mappatura basata su una mesh di nodi fittizi per interpolare le superfici aerodinamiche 2D con le travi 1D che modellano la struttura al fine di risolvere problemi aeroelastici 3D. È quindi possibile sfruttare un'ampia varietà di schemi di accoppiamento partizionato e procedure di mappatura per rilevare diversi livelli di interazione. L'ambiente viene prima convalidato su un caso di test 2D fortemente accoppiato che modella le oscillazioni di un lembo causato da un flusso corticale che si trascina dietro un corpo quadrato utilizzando una procedura implicita. Il volo stazionario di un rotore senza cerniere bo-105 derivato dalla configurazione sperimentale HARTII è finalmente ottenuto attraverso una procedura esplicita. La capacità del risolutore fluido ad alta fedeltà all'interno dell'ambiente di accoppiamento di stimare un'accurata distribuzione del carico sulle pale utilizzando la nuova funzione di mappatura è dimostrata dal confronto con la soluzione ottenuta con MBDyn utilizzando il suo risolutore aerodinamico interno a bassa fedeltà.