A multi-fidelity approach to computational aerodynamics for preliminary aircraft design

Traditional approaches to conceptual and preliminary aircraft design rely on semi-empirical methods and simplified procedures taken from the extensive literature on the subject. This work contributes to the development of multi-fidelity toolsets as an innovative means to estimate key aerodynamic characteristics at stages when only a partial description of the outer mold line is available. The multi-fidelity connotation refers to the increasing level of accuracy and complexity that characterize the featured methodologies. Based on previous work at Leonardo Aeronautics, the low-fidelity study led to the completion of a workflow for estimating trimmed drag polars, combining the distinctive features of two vortex lattice methods with several handbook corrections for nonlinear effects. A significant addition is an ad hoc methodology to predict vortex lift, which leverages experimental figures from the literature to achieve good correlation with real aircraft data of advanced trainer configurations, almost up to stall. A stall model is also proposed. Then, an enhanced panel method with viscous coupling was evaluated for use as mid-fidelity software. It shares with the low-fidelity workflow a comparatively low geometric modeling effort, and its appeal lies in the embedded calculation of viscous effects and in the built-in transonic solver, along with the low computational cost compared to high-fidelity simulations. Appropriate boundary conditions allow for the treatment of aero-propulsive interactions, but the accuracy of the solution is shown to be poor at high angles of attack. Finally, a comparison with state-of-the-art computational fluid dynamics and RANS-based solvers highlights the potential of the coarse computational meshes commonly employed in the preliminary design stage, setting the stage for future developments. Overall, the proposed low-fidelity methodology represents a cost-effective approach capable of producing realistic aerodynamic predictions while reserving more resource-intensive analyses for only the most critical conditions. Its integration into an automated, fully traceable workflow facilitates its application to the aerodynamic optimization of new aircraft configurations, a task for which it has already been tested.

L'approccio tradizionale alla progettazione concettuale e preliminare degli aeromobili si basa su procedure semplificate tratte dalla vasta letteratura esistente. Questa tesi contribuisce allo sviluppo di strumenti di analisi multi-fedeltà come mezzo per stimare le principali caratteristiche aerodinamiche nelle fasi in cui è disponibile solo una descrizione parziale delle geometrie del velivolo. Estendendo una precedente attività di Leonardo Aeronautics, lo studio a bassa fedeltà ha portato alla definizione di un flusso di lavoro per la stima delle polari trimmate, combinando le funzioni di due metodi alle singolarità virtuali con correzioni empiriche degli effetti non lineari. Un'aggiunta significativa è rappresentata da una metodologia sviluppata ad hoc per la previsione della portanza vorticosa, che sfrutta risultati sperimentali dalla letteratura per ottenere una buona correlazione, fin quasi allo stallo, con dati di addestratori avanzati reali. Viene infine proposto un modello per rappresentare lo stallo. Successivamente è stato valutato un metodo a pannelli con accoppiamento viscoso, classificato come strumento di media fedeltà. Condivide con il workflow a bassa fedeltà i requisiti di modellazione geometrica, offrendo al contempo il calcolo integrato degli effetti viscosi e un solutore transonico dedicato, con un costo computazionale ben inferiore rispetto alle simulazioni ad alta fedeltà. L’imposizione di condizioni al contorno riproduce inoltre le interazioni aero-propulsive, sebbene i risultati restino mediocri alle alte incidenze. Infine, il confronto con simulazioni di fluidodinamica computazionale basate sulle equazioni RANS mostra il potenziale delle griglie di calcolo dal limitato infittimento comunemente utilizzate durante il progetto preliminare, gettando le basi per sviluppi futuri. Nel complesso, la metodologia a bassa fedeltà rappresenta un approccio realistico e vantaggioso dal punto di vista computazionale, circoscrivendo le analisi ad elevato costo a condizioni caratterizzate da forti non linearità. La sua integrazione in un flusso di lavoro automatizzato e completamente tracciabile ne favorisce l’applicazione all’ottimizzazione aerodinamica di nuove configurazioni, un'implementazione già verificata come efficace.