Robust shape optimization of fixed and morphing rotorcraft airfoils
Francesca Fusi · 2016
La tesi presenta una metodologia per l'ottimizzazione aerodinamica robusta applicata alla ricerca dei profili ottimi fissi e morphing per le pale di rotore di elicottero. A tale scopo, l'utilizzo di approcci robusti e esplorato per dimostrare la loro capacita di indicare regioni dello spazio di design interessanti ai fini dell'applicazione elicotteristica. Poiche affrontare un problema di ottimizzazione robusta aumenta il costo computazionale del processo di ottimizzazione, la tesi presenta due nuovi metodi per l'ottimizzazione con incertezze. Lo scopo dello sviluppo di questi metodi e di migliorare l'efficienza numerica, permettendo cosi che l'ottimizzazione robusta venga applicata piu agevolmente a casi aerodinamici. Il primo metodo e basato su una strategia ``multi-fidelity'' che utilizza due modelli aerodinamici di differente complessita e costo. Il secondo metodo si basa su un raffinamento adattivo del piano stocastico per la stima delle statistiche della prestazione aerodinamica. I due metodi sono applicati ad alcuni casi algebrici e al problema di ottimizzazione robusta per profili fissi di pale di elicottero in volo a punto fisso. Questa prima applicazione dimostra l'efficacia delle strategie proposte e fornisce la base per una discussione sull'impatto dei criteri robusti sul progetto di profili. Nel caso di volo avanzato, vengono considerate due posizioni della pala lungo l'angolo azimutale: pala avanzante e pala retrocedente. I risultati ottenuti tramite l'ottimizzazione robusta e quella deterministica sono confrontati e i profili robusti dimostrano di poter garantire un adeguato livello di portanza con prestazioni analoghe a quelle dei profili deterministici. L'analisi dell'ottimizzazione in questa condizione include il confronto delle stime calcolate con i modelli stazionari usati nel loop di ottimizzazione con un modello di fluidodinamica computazionale instazionario. Infine, l'applicazione di profili morphing e studiata per migliorare le prestazioni aerodinamiche. La strategia morphing consiste in un profilo in grado di modificare la sua linea media ed e pensato in modo da garantire una modifica della forma ad una frequenza pari alla 1/giro. L'ottimizzazione dei profili morphing presentata nella tesi prende in considerazione le prestazioni aerodinamiche, mentre gli aspetti tecnologici sono considerati attraverso dei vincoli geometrici. Il guadagno dei profili morphing e valutato non solo da un punto di vista deterministico, ma anche considerando incertezze nelle condizioni operative.