2D fluid-structure interaction analysis of the release of a store in a transonic flow from a rectangular bay with local mesh adaptation

Studies of the effects of aerodynamic loads acting on stores have been primarily focused on separation trajectories. Experiments and numerical simulations have been carried out to examine the effects of the unsteady flow field on the store trajectory once ejected. This work numerically investigates the three degrees-of-freedom (DOF) fluid-structure interaction (FSI) of a store separating from a rectangular bay in a transonic flow field. Mesh adaptation plays a crucial role in accurately capturing these interactions; therefore, Flowmesh solver is used along with the re-mesh library Mmg for locally modifying the mesh. The solver operates on a 2D grid within the Arbitrary Eulerian-Lagrangian (ALE) framework, ensuring the conservation of the finite-volume scheme. The first part of the work presents the theoretical foundation of the proposed 3 DOF FSI approach, explaining how aerodynamic forces and moments govern the store's trajectory. In this FSI framework, the store can translate horizontally and vertically, as well as rotate about the pitch axis. Subsequently, numerical simulations of the separation of a storage modelled as a NACA 0012 profile are conducted, analysing its linear and angular displacements. The impact of varying store masses and moments of inertia is explored to assess the interplay between aerodynamic and inertial effects. Finally, the effect of the ejection force is examined. Additional simulations incorporate the external force contributing to the overall moment computation. The influence of varying ejection force location is then analysed separately. Final simulations investigate the impact of different transonic freestream Mach numbers on the store's trajectory. In the last section, the effect of the ejection force is examined. Additional simulations incorporate the external force contributing to the overall moment computation. The influence of varying ejection force location is then analysed separately. Final simulations investigate the impact of different transonic freestream Mach numbers on the store's trajectory.

Gli studi sugli effetti dei carichi aerodinamici sui corpi si sono concentrati principalmente sull'analisi delle traiettorie di separazione. Esperimenti e simulazioni numeriche sono stati condotti per esaminare l'influenza del flusso instazionario sulla traiettoria del corpo dopo il distacco. Questa tesi analizza numericamente l’interazione fluido-struttura (FSI) a tre gradi di libertà (DOF) di un corpo che si separa da una cavità rettangolare in un flusso transonico. L'adattazione di griglia svolge un ruolo cruciale nel catturare con precisione queste interazioni; per questo motivo, il solver Flowmesh è usato assieme alla libreria di re-meshing Mmg per modificare localmente la mesh. Flowmesh opera su una griglia 2D e si basa sull’approccio Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE), garantendo la conservazione dello schema numerico. Nella prima parte dello studio vengono presentate le basi teoriche dell'approccio FSI a 3 gradi di libertà, spiegando come le forze e i momenti aerodinamici influenzano la traiettoria del corpo. In questo contesto, il corpo può traslare orizzontalmente e verticalmente, nonché ruotare attorno all'asse di pitch. Successivamente, vengono condotte simulazioni numeriche sulla separazione di un corpo modellato come un profilo NACA 0012, analizzandone gli spostamenti lineari e rotazionali. L’impatto della variazione della massa e del momento di inerzia del corpo viene esaminato per valutare l’interazione tra effetti aerodinamici e inerziali. Infine, viene studiato l’effetto della forza esterna di eiezione. Ulteriori simulazioni analizzano il contributo della forza esterna nel calcolo complessivo del momento aerodinamico. L'influenza della posizione di applicazione della forza di eiezione viene esaminata separatamente. Infine, vengono condotte simulazioni aggiuntive per valutare l’impatto di diverse condizioni di flusso transonico, considerando differenti numeri di Mach sulla traiettoria del corpo. Nella prima parte dello studio vengono presentate le basi teoriche dell'approccio FSI a 3 gradi di libertà, spiegando come le forze e i momenti aerodinamici influenzano la traiettoria del corpo. In questo contesto, il corpo può traslare orizzontalmente e verticalmente, nonché ruotare attorno all'asse di pitch. Successivamente, vengono condotte simulazioni numeriche sulla separazione di un corpo modellato come un profilo NACA 0012, analizzandone gli spostamenti lineari e angolari. L’impatto della variazione della massa e del momento di inerzia del corpo viene esaminato per valutare l’interazione tra effetti aerodinamici e inerziali. Infine, viene studiato l’effetto della forza esterna di eiezione. Ulteriori simulazioni analizzano il contributo della forza esterna nel calcolo complessivo del momento aerodinamico. L'influenza della posizione di applicazione della forza di eiezione viene esaminata separatamente. Infine, vengono condotte simulazioni aggiuntive per valutare l’impatto di diverse condizioni di flusso transonico, considerando differenti numeri di Mach sulla traiettoria del corpo.