An adjoint body-force approach for fully-coupled aero-propulsive optimizations
Une formulation adjointe body-force pour mener des optimisations aéro-propulsives totalement couplées
Résumé
Innovative aircraft studies often involve disruptive engine integration concepts, such as distributed propulsion, boundary-layer ingestion or unducted fan strongly interacting with the airframe. For such designs, airframe-engine aerodynamic interaction must be taken into account starting from the early design phase, with the need for computational-effective and reliable approaches to support a large number of design iterations and preliminary optimizations. Body-Force Modeling (BFM) methods have successfully allowed a faithful reproduction of the engine performance trends for analysis and design studies, while significantly reducing the simulation time and memory costs. However, an adjoint formulation is mandatory to efficiently use such models in gradient-based optimization involving a large number of airframe and engine shape parameters at once. Thus, a discrete Adjoint formulation based on explicit Body-Force Modeling (ABFM) is proposed to tackle highly coupled aero-propulsive optimization for preliminary design. The methodology is illustrated here using a simplified body-force model to optimize a 2D Distributed Propulsion (DP) configuration, involving both lumped engine parameters and airfoil shape design variables at the same time. The contribution of the ABFM to the adjoint solution and to the shape gradients is analysed, showing an important influence on both. Preliminary optimisation results are then presented.
Les nouveaux concepts d'avion civils actuellement étudiés présentent la plupart du temps une architecture d'intégration motrice innovante, par exemple pour les concepts de propulsion distribuée, de moteurs à ingestion de couche limite ou encore de fans non carrenés présentant une forte intéraction aérodynamique avec la voilure de l'aéronef. Pour de tels concepts, il est nécessaire de prendre en compte le couplage aéro-propulsif dès les premières phases de conception, à l'aide de méthodologies peu coûteuses en temps de calcul et assez robustes pour permettre de conduire des optimisations préliminaires et réaliser un grand nombre d'itérations de conception à partir de la géometrie initiale. Les méthodes body-force (BFM) ont démontré leur capacité à reproduire fidèlement les tendances des performances moteur tout en réduisant significativement le coût de simulation en temps et en mémoire requise. Néanmoins, une formulation adjointe du BFM est nécessaire pour utiliser ces modèles au sein d'optimisations par descente de gradient, pour lesquelles un grand nombre de variables de conception du moteur et de la cellule de l'avion sont employées. Ainsi, une formulation adjointe discrète de modèles body-force explicites (ABFM) est proposée pour mener à bien des optimisations aéro-propulsives fortement couplées sur des géométries préliminaires. Une démonstration de cette méthodologie est réalisée à partir d'un modèle body-force simplifié, pour optimiser une géométrie 2D de propulsion distribuée (DP) en employant simultanément des variables de conception géométriques de l'aile et une variable de conception moteur. La contribution de l'ABFM à la solution adjointe ainsi qu'aux gradients est également évaluée, révélant une importante influence sur ces deux grandeurs. Enfin, des résultats préliminaire d'optimisation utilisant l'ABFM sont présentés.
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