Development and application of a coupled aeroelastic framework based on nonlinear structural dynamics and high-fidelity aerodynamics simulations

Fluid-structure interaction represents one of the most studied topics in the aerospace industry. This is due to its wide range of applications, from the interaction between exhaust fluid and an engine to the aeroelastic coupling between airflow and aerodynamic surfaces such as wings. This work specifically addresses the latter application, with the objective of developing a framework based on object-oriented programming that enables the coupling between SU2, a CFD solver, and MSC Nastran, a structural solver. The implementation was designed to work with MSC Nastran’s SOL 400, which allows the analysis of the dynamics of nonlinear structures. The FSI framework was applied to some test cases in order to verify its reliability and to study new applications characterized by structural nonlinearity. The first cases involved the interaction between airflow and a NACA0012 airfoil with two degrees of freedom: plunge and pitch. It was analyzed in order to validate the code and its implemented features, such as the imposed motion. Subsequently, a model with a structural nonlinearity was studied in order to investigate the onset of Limit Cycle Oscillations arising from aeroelastic coupling. Lastly, an investigation was carried out to analyze the interaction between airflow and a morphing aileron, focusing especially on the aeroelastic response to a prescribed motion.

Nell'industria aerospaziale l'interazione fluido struttura è uno degli ambiti più studiati. Ciò è dovuto al vasto numero di applicazioni, che vanno dall'interazione tra il flusso uscente dal motore e il motore stesso, fino all'accoppiamento aeroelastico tra un flusso d'aria e una superficie aerodinamica, come ad esempio un'ala. Questa tesi affronta in particolare la seconda applicazione, con l'obiettivo di sviluppare un'infrastruttura software, basata sulla programmazione orientata agli oggetti, che permetta l'accoppiamento tra SU2, un solutore CFD, e MSC Nastran, un solutore strutturale. L'implementazione è stata progettata per integrarsi con la soluzione SOL 400 di MSC Nastran, che permette l’analisi dinamica di strutture caratterizzate da comportamenti non lineari. L'interfaccia sviluppata è stata testata su diversi casi, sia per verificarne l’affidabilità sia per studiare nuove applicazioni caratterizzate dalla presenza di non linearità strutturali. Il primo caso esaminato riguarda l'interazione tra un flusso d'aria e un profilo NACA0012 con 2 gradi di libertà: movimento verticale e beccheggio. Questa analisi è servita per validare il codice e le funzioni implementate in esso, come l'imposizione di spostamenti. Successivamente è stato studiato un modello che presentava una nonlinearità strutturale per indagare la comparsa di oscillazioni di ciclo limite originate dall'accoppiamento aeroelastico. L'ultima applicazione riguarda l'analisi dell'interazione tra un flusso d'aria e un alettone morphing, con focus specifico sulla risposta aeroelastica a un movimento imposto.