Aerodynamics of manoeuvring air-vehicles: Towards improved understanding and Tools for robust numerical modelling and simulations

Denna rapport beskriver ett påbörjat arbete med beräknings\-baserad aerodynamik kring manövrerande flygande farkoster, både robotar och flygplan, med det långsiktiga målet att kunna göra robusta analyser och optimering av dynamik och styrning av enstaka farkoster såväl som grupper av farkoster i stridssituationer. Bakgrunden till arbetet ligger i behovet av att kunna göra multi-disciplinär optimering av moderna stridsflygplan med förbättrad förmåga att göra manövrer. Dels för att kunna utnyttja den förmåga ett befintligt system har, dels för att på designstadiet kunna förutsäga vilka prestanda ett koncept har i detta avseende. Med kunskap om möjligheter och begränsningar med modern beräknings\-baserad strömningsmekanik (CFD) för strömningen kring manövrerande flygande farkoster, är avsikten att skapa ett multidisciplinärt ramverk för att simulera just detta. Det initiala arbetet behöver inriktas mot att genomlysa och förstå aerodynamiken kring manövrerande farkoster och nå en effektiv implementation av den beräkningsbaserade strömningsmekaniken, vilket inkluderar de ekvationer som gäller för rörelsen hos det strömmande mediet och korrekta randvillkor. Därför studeras först de ekvationer som beskriver flödet kring manövrerande farkoster under antagandet att farkosterna är stela kroppar som rör sig genom translation och rotation relativt en referensram vari sådana rörelser kan beskrivas. Strömningsekvationerna härleds både i tensornotation och i vektornotation, och båda fallen leder till konsistenta källtermer där hänsyn tas till fiktiva krafter som behöver tas med då strömningsfenomenen beskrivs i den rörliga referensram som definieras av den manövrerande farkosten. Möjligen kan den numeriska lösningen i den rörliga referensramen av hastighet och totalenergi bli mindre noggrann på grund av stora källtermer och en stor beräkningsdomän. Implementationen i kod av ekvationerna för rörelsemängd och totalenergi formuleras därför för att begränsa sådana numeriska effekter, genom att ta hänsyn till vinkel- och translationshastighet och -acceleration. Den nuvarande versionen av strömningslösaren M-Edge kan beräkna strömningen kring objekt som roterar med konstant vinkelhastighet och den nya funktionaliteten sammanfaller med detta för sådana fall. För att underlätta en implementation av beräkningsbaserad strömnings\-mekanik baserad på ekvationerna uttryckta i en rörlig referensram har ett enkelt testfall använts för effektiv validering genom simulering av flödet kring en vingprofil NACA0015 som rör sig genom en oscillerande rörelse och rotation. Dessutom beskrivs hur två olika panelmetoder kan användas för att beräkna dynamiska derivator som ett underlag för att validera resultaten av sådana beräkningar med beräkningsbaserad strömningsmekanik (CFD). Resultat baserade på nätdeformation och panelmetoder kommer att användas för validering av den generella CFD-implementationen i M-Edge. Denna rapport avses vara en relevant referens under utvecklingsarbetet med implementation, validering och verifikation av kod för analys av strömningen kring manövrerande farkoster.