Numerical modelling of non-classical aileron buzz

A computational study of non-classical aileron buzz is presented, which focuses on the modelling of the aerodynamics. To this end, a high-fidelity CFD model is employed and a reduced-order aerodynamic model is developed. The aeroelastic model is based on a two-dimensional wing section, in which a rigid aileron is integrated without gap. As far as the CFD-based calculations are concerned, the flow model of the Euler equations is chosen and it is coupled to the dynamics equation of the rigid rotation of the aileron, which are both implemented in the solver AeroFoam. The CFD-based direct simulations point out that the numerical solver is a reliable means for the analysis of aileron buzz, however care must be taken with respect to the grid details that might influence the solution. For instance, mesh refinement and size are crucial to obtain reliable results and the choice between a smoothed and non-smoothed grid has an influence on the system response, both quantitatively and qualitatively. As a matter of fact, grid details affect the simulation of shock dynamics, which is the driving mechanism for non-classical aileron buzz. On the other hand, a linear low-order model for the aerodynamics is developed, leveraging the idea of a parallel of second-order sub-systems. For the calculation of the model parameters a global optimization strategy is chosen after a brief comparison with other methods; such a method is based on a genetic algorithm. From the reduced-order model of the aerodynamic a low-order aeroelastic system is determined, which proves to be effective for a limited range of conditions. In fact, the linearity assumption is restrictive yet necessary, because it represents the first step in the development of a higher-fidelity model. Therefore, the work provides further insight in the numerical simulation of shock-dominated instability aeroelastic phenomena and blazes a trail for the development of a low-order model for the analysis of non-classical aileron buzz.

Nel presente lavoro è presentato uno studio numerico del buzz di alettone di tipo non classico, con particolare attenzione alla modellazione dell'aerodinamica. A questo scopo viene impiegato un accurato codice CFD e allo stesso tempo viene sviluppato un modello ridotto dell'aerodinamica. Il modello aeroelastico è basato su una sezione bidimensionale di ala, all'interno della quale è integrato un alettone rigido senza fessura. Per quanto riguarda le simulazioni CFD, vengono scelte le equazioni di Eulero come modello fluido, le quali sono accoppiate all'equazione dinamica della rotazione rigida dell'alettone e implementate nel solutore prescelto AeroFoam. Tali simulazioni CFD mostrano che il solutore numerico è un mezzo affidabile per l'analisi del buzz di alettone, ciononostante occorre prestare attenzione ai dettagli della griglia di calcolo che possono influenzare la soluzione. Il raffinamento del dominio di calcolo e la sua dimensione, ad esempio, sono fondamentali per ottenere risultati affidabili e la scelta tra una griglia regolarizzata e non regolarizzata a cavallo della cerniera dell'alettone ha un'influenza sulla risposta del sistema, sia qualitativamente che quantitativamente. Di fatto i parametri della griglia di calcolo alterano la simulazione della dinamica dell'onda d'urto, che è il meccanismo chiave del buzz di alettone non classico. In opposizione, viene sviluppato un modello lineare di ordine ridotto dell'aerodinamica, sfruttando l'idea di un parallelo tra sotto-sistemi del second'ordine. Per il calcolo dei parametri del modello viene scelta una strategia di ottimizzazione globale a seguito di un confronto con altri metodi tradizionali; tale metodo è basato su un algoritmo genetico. A partire dal modello ridotto dell'aerodinamica, viene ottenuto il sistema aeroelastico di ordine ridotto, il quale risulta essere efficace per un intervallo limitato di condizioni. Infatti, l'ipotesi di linearità è restrittiva seppur necessaria, perchè rappresenta il primo passo nello sviluppo di modelli più accurati. Pertanto, il lavoro fornisce interessanti spunti nel campo della simulazione numerica di fenomeni di instabilità aeroelastica dominati da onde d'urto e pone le basi per lo sviluppo di modelli di ordine ridotto per l'analisi del buzz di alettone di tipo non classico.