Enhancements to numerical methods for aircraft aerodynamic coefficients and stability derivatives determination

[Ч. Костић]

II, 201 стр.

Машинство - Ваздухопловство / Мechanical engineering - Аerospace

Ова докторска дисертација бави се развојем и применом методологије нумеричког моделирања аеродинамичких феномена, са посебним нагласком на верификацију и валидацију симулација путем прорачунске динамика флуида (енгл.-Computational Fluid Dynamics-у даљем тексту CFD) у ваздухопловној индустрији. Полазећи од анализа доступних експерименталних и рачунарских ресурса у Републици Србији, истраживање обухвата компаративну анализу физичких испитивања у аеротунелима и савремених CFD метода, са циљем унапређења поузданости нумеричких симулација у условима ограничених експерименталних капацитета. Формулисан је математички модел заснован на систему Навије–Стоксових једначина, при чему је за моделовање турбулентних ефеката примењен приступ заснован на Рејнолдсовим усредњеним Навије–Стоксовим једначинама. Извршена је детаљна анализа нумеричких метода просторне и временске дискретизације применом одговарајућих метода коначних запремина. Посебна пажња посвећена је конструкцији и евалуацији прорачунских мрежа, укључујући адаптивне, клизне и динамичке мреже. Развијени су критеријуми за избор мрежне стратегије и оцењивање квалитета нумеричких мрежа, што је омогућило стварање стабилних и физички доследних прорачунских модела. У дисертацији су представљени поступци верификације CFD кôда, укључујући студије сагласности решења са нумеричком мрежом, тестове стабилности и процену грешке дискретизације. Валидација симулација извршена је поређењем са референтним подацима добијеним у аеротунелу, на моделу AGARD-B, у подзвучном, трансоничном и надзвучном режиму струјања. Резултати указују на високу сагласност нумеричких и експерименталних података, чиме се потврђује ваљаност предложене методологије. Истраживање доприноси унапређењу поузданости CFD симулација у пројектовању и анализи ваздухопловних конструкција, посебно у условима ограничене могућности експерименталне валидације

This doctoral dissertation focuses on the development and application of a methodology for numerical modeling of aerodynamic phenomena, with particular emphasis on verification and validation of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in the aerospace industry. Starting from an analysis of the available experimental and computational resources in the Republic of Serbia, the research includes a comparative study of wind tunnel testing and modern CFD approaches, aiming to improve the reliability of numerical simulations in environments with limited experimental capacity. A mathematical model based on the Navier–Stokes equations system was formulated, with an approach based on Reynolds-averaged Navier–Stokes equations applied to model turbulent effects. A detailed analysis of numerical methods for spatial and temporal discretization was performed using appropriate finite volume schemes. Special attention was given to the generation and evaluation of computational meshes, including adaptive, sliding, and dynamic grids. Criteria for mesh strategy selection and mesh quality assessment were developed, enabling the construction of stable and physically consistent computational models. Verification procedures of the CFD code included grid convergence studies, stability testing, and discretization error estimation. The validation of simulations was performed by comparison with reference experimental data from wind tunnel tests on the AGARD-B model, in subsonic, transonic, and supersonic flow regimes. The results demonstrate a high degree of agreement between numerical and experimental data, thereby confirming the validity of the proposed methodology. This research contributes to enhancing the reliability of CFD simulations in the design and analysis of aerospace structures, particularly under conditions where experimental validation is limited.

аеродинамика, прорачунска аеродинамика, прорачунска динамика флуида (CFD), калибрациони аеротунелски модел, аеродинамички коефицијенти и деривативи стабилности, верификација нумеричких резултата, валидација нумеричких симулација, турбулентни модели, нумеричке мреже

Aerodynamics, Computational Aerodynamics, Computational Fluid Dynamics (CFD), Calibration Wind Tunnel Model, Aerodynamic Coefficients and Stability Derivatives, Verification of Numerical Results, Validation of Numerical Simulations, Turbulence Models, Numerical Grids.

629.73:533.69:519.6(043.3)

Tekst