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Direction Générale Technique Calcul Scientifique en Aérodynamique Université Paris XIII - Calcul Intensif Distribué dans l’Industrie Villetaneuse - Mercredi 22 Janvier 2014 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Chercheurs de l’équipe Modélisation et Méthodes Numériques Frédéric Chalot Franck Dagrau Laurent Daumas Steven Kleinveld Vincent Levasseur Michel Mallet Gilbert Rogé Van Tien Dung + PostDocs, Thésards, Stagiaires VA OÙ TON RÊVE TE PORTE page : 3 Civil > 50 % Rafale Falcon 7X Spatial UAV NEURON VA OÙ TON RÊVE TE PORTE page : 4 Simulation numérique Mécanique des fluides numériques et conception automatique de formes aérodynamiques. Aéroélasticité, aéroacoustique, contrôle des équations aux dérivées partielles, électromagnétisme, optimisation multidisciplinaire. VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Plan de l’exposé Problématiques (calcul des performances aérodynamiques, …) Modélisation (équations de Navier-Stokes, modèles de turbulence, …) Analyse Numérique (Éléments Finis, …) Moyens de calcul (supercalculateurs, …) Illustration par des résultats récents Travail en équipe, MDO, collaboration avec les Centres de Recherche Les axes de Recherche actuels VA OÙ TON RÊVE TE PORTE (taille, rayon d'action, poids, ...) Calculs de bilans et performance Avant-Projets (N1) Optimisation Conception Préliminaire (N2) Calculs Eléments Finis en aéro, structure, E.M Conception Détaillée (N3) Maquette Numérique (CATIA) Essais soufflerie+structuraux+ E.M niveau 3 Missions (exigences du marché ) niveau 2 niveau 1 Conception Multi-niveaux Essais Sol et Vol VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Exemple Structure Turbulence modeling for complex flows What RANS can do well Mach 0.80 Cryotechnic test of generic Falcon shape in ETW Mach 0.85 •Full aircraft Navier-Stokes simulations are used at all stages of design •Very good validation is obtained at cruise conditions •Design for cruise conditions is based on CFD •Wind tunnel tests can be limited to intermediate and final check-out if sufficient validation is obtained at flight Reynolds number VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Modélisation du bang sonique Sonic Boom computation process Source term: starting from the model geometry and flight conditions, generation of a mesh for CFD simulations or determination of the Whitham’s F-function (including shape and lift effects) nearfield farfield Propagation to the ground: use of a ray tracing code that can account for maneuvers and meteorological effects. => The ground signature is determined (pressure variations levels and location of the sonic boom carpet) Ground signature Signal treatment 30 20 Conversion of the signal in Sonic boom loudness metrics: dBA, dBC, PL* 10 0 -10 -20 -30 -40 0 50 100 150 Time duration (ms) 200 dB (dB) Noise level Overpressure (Pa) 40 100 50 0 -50 -100 1 10 100 F(Hz) 1000 Frequency (Hz) Direction Générale Technique 10000 *Perceived Level, Stevens Mark VII method N. Héron, HISAC Sonic Boom tasks logic, 22/5/2007 Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. 8 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Interaction Fluide –Structure Développement : CFD linéarisées CFD non-linéaire Une forme X0 Un champ aérodynamique CFD C p X 0 CFD linéarisée fréquentielle Un déplacement Une variation de champ aéro. C p X 0 dX Instationnaire temporel X t C p t Instationnaire fréquentiel it dX .e X dC p .ei (t ) 9 Temps de retour du linéarisé fréquentiel par rapport au non linéaire temporel : facteur 100 Résolution difficile des systèmes linéarisés complexes algorithme GMRes, préconditionnement BSOR , nombreux second-membres, … Modélisations aérodynamiques adaptées aux phénomènes physiques étudiés (Euler/Navier-Stokes, temporel/fréquentiel, …) VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Aéroélasticité dynamique : Prédiction de l’aérodynamique instationnaire pour le couplage Flexion - Torsion flutter Maquette (empennage isolé) Mise en défaut de la modélisation Euler – défaut de prédiction de la dynamique du choc Prise en compte des effets visqueux Prise en compte de la variation des effets turbulents 10 Instable • Essais dans le domaine transsonique • Essais d’aérodynamique instationnaire • Essais de flottement Expe Singularités Euler linéarisé NS linéarisé NS non lin. Temporel Stable VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Derivatives 1 and 2 validation aoa=1 deg CDp Full modelization Taylor 2 Taylor 1 Thinner airfoil RELATIVE THICKNESS Thicker airfoil VA OÙ TON RÊVE TE PORTE 11 But …gradient of turbulence mandatory aoa=2.79 deg Pressure Drag Frozen turbulence Taylor 2 Taylor 1 Full modelization Relative Thickness VA OÙ TON RÊVE TE PORTE 12 Simulation for aeroacoustics Introduction • Objective : reduced environmental impact → low noise footprint • Engine noise shielding → innovative aircraft configurations • Reduced engine noise → need to reduce airframe noise • Prediction tools with sufficient level of accuracy are required VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Simulation for aeroacoustics Example : detailed evaluation of turbine noise with shielding Navier Stokes Aerodynamics computation of coaxial jet Local propagation with influence of jet High order linearized Euler in frequency domain RANS solution projected on isotropic mesh Farfield signal - Kirchhoff - BEM/FMM Directivity VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Optimization Process Volume mesh displacement Baseline volume mesh Volume mesh deformation Adjoint Volume mesh deformation Adjoint CFD solver Modified volume mesh CFD solver Aerodynamic observations Aerodynamic observations gradient Modified surface mesh & gradient Aerodynamic variables CAD Modeler Cost - Gradient Baseline geometry Objective & constraints Optimizer design variables Cost, constraints & gradients Starting point VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. E ( ,W ( )) 0 State equation j ( ) J ( ,W ( )) g ( ) G( ,W ( )) Cost function Constraints functions Minimizing while respecting constraints We observe Set with l = aerodynamic parameters and = geometric parameters (CAD modeler) j( ) PDE control theory J-L Lions Dunod, 1968 gi ( ) 0 f ( ) F ( ,W ( )) J ( ,W ( )), G( ,W ( )) ( , l ) VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. page : 16 Gradients calculation : introduction Taking into account surface displacements CAD modeler : d ( ) Either we model d( ) by transpiration conditions (Hadamard, Lighthill) Either we extend it to volume mesh : (laplacian like operator) L(d ( ), D( )) 0 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. Gradients calculation Our goal is to estimate : df ( ) dF ( ,W ( )) f d d F W F W F F f l l W l W l thanks to the state equation and then E ( ,W ( )) 0 E E E ( ,W ( )) W 0 W L(d ( ), D( )) 0 L L L(d ( ), D( )) d D 0 d D and thanks to the mesh deformation equation and then VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. Mesh deformation approach in adjoint mode We evaluate variations of the lagrangian: f * f ( )T E ( )T L E F T with : l , D( ), W ( ) ( ) ,W ( ) W W T and F T E T L l , D( ),W ( ) l , D( ),W ( ) d ( ), D( ) D D D dF F T E dl l l to obtain : dF T L d d d VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Ce document est la propriété intellectuelle de DASSAULT AVIATION. Il ne peut être utilisé, reproduit, modifié ou communiqué sans son autorisation. DASSAULT AVIATION Proprietary Data. Supersonic cruise wing optimization • Supersonic cruise: free stream Mach number = 1.8 • Design point: heavy cruise lift coefficient CL prescribed • Cost function 1 2 j C D 2 • “Glider” configuration: aircraft without lateral nacelle • Wing-body intersection frozen • Angle of attack (aoa) • Level 1 planform parameters (surface, aspect ratio, taper ratio, thickness) given • Leading edge radius fixed • Twist angles, leading edge camber VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Mesh + CAD (symmetric wing) symmetric airfoil 0 .0 1 3D view 0 .0 0 5 Z/C 0 - 0 .0 0 5 - 0 .0 1 - 0 .0 1 5 0 page : 21 z/c number of vertices: 133239 number of tetrahedral elements: 750773 number of triangle boundary elements: 33198 optimized airfoil x/c 0 .0 2 5 0 .0 5 0 .0 7 5 0 .1 X /C Spanwise conical camber Half geometry-mesh Top view VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Accueil école 9 control sections 4*9=36 design variables 36+1=37 optimization variables Accueil école Impact in term of time in the CFD design process (3 months 2-3 days) Impact in term of quality for the aerodynamic solution (18%) page : 22 Conclusion for wing optimization VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Engine integration optimization Objective function: Pressure drag minimization (inviscid flow, Euler CFD) Main design point: free stream Mach number = 1.6 altitude = 15545m (close to 51000 ft) angle of attack = 0 degree Mach number = 0.7 in the compressor inlet plane A/A*, total pressure, total temperature in the turbine outlet plane L fixed (=40 m) wing: geometry + position frozen nacelle + pylon: geometry + position frozen cabin constraint: fuselage geometry frozen between x=0.5 m and x=7.7 m (xnose=-11 m) VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Geometry Parameterization (Dassault Aviation) Number of design variables: 66 (thickness, scale, camber) Cabin constraint taken into account in the geometric modeler Untrimmed surfaces enabling to deal with fuselage/wing intersection and fuselage/pylon intersection VA OÙ TON RÊVE TE PORTE • Automatic optimization for the complete configuration has been performed for both design point case at M=1.6 and multi point case including conditions at M=1.5 • Optimizer: Interior Point Algorithm (line search : Wolfe) • Discrete adjoint, linear solver: GMRES • Mesh deformation (domain decomposition, parallel, MPI) • Euler solver (domain decomposition, parallel, MPI) • Unstructured mesh (538064 vertices, 3024834 tetrahedral elements) • 5 h on 64 processors IBM pwr5 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Cp distribution (rear) Z X Y Z KP-G001 0.5 0.458824 0.417647 0.376471 0.335294 0.294118 0.252941 0.211765 0.170588 0.129412 0.0882353 0.0470588 0.00588235 -0.0352941 -0.0764706 -0.117647 -0.158824 -0.2 X Y VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Implementation strategy Formulation for derivatives 1 et 2 Notations: E W X x Non linear system for fluid (Euler or Navier-Stokes) L State, solution of Linear system for mesh deformation J E Volume coordinates Surface coordinates T Fluid Adjoint, solution of T Mesh Adjoint, solution of Second derivative operator 2 G1 ,G2 D Observation Aerodynamic parameters Geometric parameters E J W W L J E T X X X 2 2M 2M T T M M .[V1 ,V2 ] V V1 2V1 V2 V2 V2 2 2 G1 G1G2 G2 T 1 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Implementation strategy Formulation for derivatives 1 et 2 dJ J E T d d 2J W W 2 T 2 DW , J .[ ,1] DW , E.[ ,1] 2 d Implicit CFD Explicit dJ T L x d x 2 d 2J W X W X L x 2 T 2 T D J .[ , ] D E .[ , ] W ,X W ,X d 2 x 2 Explicit Implicit CFD Implicit deformation VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Generic fuselage zoom 3D Euler Mach 1.6 451287 vertices 10 mn on 16 procs IBM pwr5 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Pressure drag CDp Side slip angle Thèse Ludovic Martin Angle of attack VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Utilisation des dérivées secondes Méthode des moments (propagation d'incertitudes) Méthode de Newton (optimisation) Surfaces de réponses avec dérivées … VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Optimisation avec contrainteCz > 0.01 aile ONERA m6, Mach = 0,84 et incidence = 3,06° BFGS: cout = 20 (19 NF + 10 Ng) Newton: cout = 16 (15 NF + 8 Ng + 8 Nh ) BFGS Newton BFGS Newton VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Drag Breakdown of Polar CL induced Wave Trim Operational Domain 33 Miscella Friction neous + Shape C D VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Dream … and Real Life Aeroelasticity Atmospheric conditions 34 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Dream … and Real Life Antennas Bleed Steps and gaps 35 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Prise en compte des incertitudes Utilisation des dérivées secondes Méthode des moments (propagation d'incertitudes) Méthode de Newton (optimisation) Surfaces de réponses avec dérivées … 0.84 cdf 0.0150 P[ CD > 0.0150 ] = 16% Thèse Ludovic Martin, 2010, Prix CANUM VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Prise en compte des incertitudes FOSM, SOSM Mean value, variance, skewness, kurtosis order 1 order 2 order 1 order 2 order 1 Taylor order 2 1 E ( X ) 2 E[( X 1 )2 ] 2 3 E[( X 1 )3 ] C 3 3 3 2 2 4 E[( X 1 )4 ] C4 4 22 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Chaos 5 points Method of Moments order 1 Method of Moments order 2 ONERA M6 wing, Euler, uncertain aoa VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Accueil école Chaos 4 points page : 38 Prise en compte des incertitudes Chaos ? Points; Moments order ? Uncertain twist angle distribution Full Falcon jet configuration transonic cruise (given Cl) tip control section crank control section Given pdf for the 2 uncertain twist angle parameters 39 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Strategy for uncertainty propagation Approx Monte-Carlo Polynomial Chaos Perturbation Method Uncertain parameter, given pdf Pearson system Four first Moments Kurtosis Not allowed area Four Four Pearson first first validation PM vs Chaos Moment Moment Reference=Approx MonteNot possible area s Carlo s Normal law Square of skewness 40 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Uncertainty propagation on industrial context Influence of uncertainty of geometrical parameters (twist angles) on global criteria (range) . Probability of failure. displacement ... Ps, Flexion mt ... General scheme with the propagation of numerical information: Aerodynamical field Global Geometrical criteria parameters W W V C R l gcs CD,eq ln s Ws f Structural field Remarks: CD including trim drag (RANS3D, fixed Cl). Ms is the result of an optimization (post buckling, flutter, extreme loads, …) VA OÙ TON RÊVE TE PORTE How to propagate uncertainty through this bidisciplinary system ? 1. full Monte Carlo approach, Polynomial Chaos, Perturbation Method, … 2. RSM for the range respect to the 2 twist angles + MC … 3. RSM for the drag and for the structural mass respect to the 2 twist angles +MC … + stochastic interpolation … VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Approach 1, direct propagation of uncertainties • full Monte Carlo approach: more than 10000 evaluations + we are looking for the tail of probability • Polynomial Chaos, Perturbation Method: too intrusive. Alternative: non intrusive PC or Collocation Method VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Approach 2, RSM for the global criteria Deterministic calculations (3 aoa / design pt) 3^N values for the Global criterium N Geometrical parameters * 3 values per parameter Given pdf for the 2 uncertain twist angle parameters Surrogate model (Kriging, RBF, …) Uncertainty propagation pdf, cdf, Pearson: uncertainty law (type + parameters) for the global criterium VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Approach 3, RSM for each disciplinary Deterministic calculations (3 aoa / design pt) 3^N values for the disciplinary observation N Geometrical parameters * 3 values per parameter Given pdf for the 2 uncertain twist angle parameters Surrogate model (Kriging, RBF, …) Uncertainty propagation pdf, cdf, Pearson: uncertainty law (type + parameters) for the disciplinary observation VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Approach 3, continued Aerodyn. Dpt Stochastic RSM for the CD MC Stochastic RSM for the rang Structural Mech. Dpt Stochastic RSM for the Ms VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Stochastic Responses Surface Model Probability law of range vs geometrical nominal values (two twist angles) Kurtosis Not allowed area Normal law Not possible area Square of skewness Gamma, Bêta and Fisher probability laws. Connex domains Change of geometrical nominal values: prediction of probability law possible 47 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE The key message Each team needs to provide a disciplinary date base including, at least, bounds but complete stochastic information is the ultimate goal (useful for MDO optimization) Alternative approaches: FORM, SORM, … 48 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Robust Design (1) Cl < 0.3 Minimal drag Cl > 0.3 Final Population Minimal probability lift ONERA M6 wing, 2 design parameters: twist and camber angles Euler, RSM RBF like but with 1rst and 2nd derivatives (original approach, Duchon extension) MOGA, Robust design. Objectives: to control Drag and P(CL<0.3) 49 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Robust Design (2) P(Cl<0.3) Minimal drag Initial population Final population Minimal probability lift E(CD) 50 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Robust Design (3) P(Cl<0.3) Decision: we accept a probability lift of p = x% with minimal drag Determination of drag mean CD (Pareto front) of nominal values of Determination geomerical parameters a1 and a2 (camber and twist angles) Minimal drag p Cd Minimal drag Minimal probability lift E(CD) a1 a2 Minimal probability lift 51 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE What to keep in mind ? • Generalization of the basic Mean-Standard Deviation approaches (not limited to Normal Law …) • RSM: • How to control the quality ? • Bottleneck: large number of parameters (Sparse Grid ?) • Convergence to the true Pareto Front … 52 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Prise en compte des incertitudes (15/17) Adaptation de maillage anisotrope "goal oriented" Métrique continue Dervieux, Alauzet, Loseille, Renormalisation Lp Hecht, Frey, Dobrzynski Gradation de métrique Adaptation iso-P2 du maillage surfacique + projection sur la CAO CRAS, Ludovic Martin, 2008 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Prise en compte des incertitudes (16/17) Adaptation de maillage anisotrope "goal oriented" Sonic boom extraction pression statique segment à R/L=1 VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Prise en compte des incertitudes (17/17) Bornes d'erreur en maillage par adjoint Intervalle de confiance: AH ,h f u BH ,h AH ,h f uhH 2 hH , RuhH Accueil école BH ,h f uhH 2 hH , RuhH Post Doc Sophie Borel 2006, prix CANUM VA OÙ TON RÊVE TE PORTE En vrac Ordre élevé Solveurs linéaires semi-directs (FETI, …), … Modélisation de la transition Gestion des incertitudes (CADNA, chaos polynomial, optimisation robuste, …) Bidisciplinaire (fluide-structure, fluide-thermique, fluidefurtivité, …), MDO … VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Tera 1012 Peta 1015 Performance Development Puissance de calcul multipliée par 100 en 10 ans SUM 1 Eflop/s 100 Pflop/s 10 Pflop/s 10.5 PFlop/s N=1 N=500 1 Pflop/s 100 Tflop/s 10 Tflop/s 1 Tflop/s 100 Gflop/s 10 Gflop/s 1 Gflop/s supercalculateur CURIE 2 PFlop/s 100 Mflop/s Dassault Aviation: en limite du Top 500 MPI, OPENMP, acceleration GPU VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Collaboration avec des chercheurs Universités, grandes écoles, … INRIA, ONERA, CNRS, CEA, … Thèses Cifre, DGA, Univ. CNRS, ERASMUS, … Contrats de R&D: DGA, DGAC, Pôles Régionaux, Contrats Européens (FP7, …) VA OÙ TON RÊVE TE PORTE Conclusion - Perspectives CFD Euler: TRL 5 Chaine d'optimisation de formes aéro adaptée au pg avion Aéroélasticité et Aéroacoustique: Approche Euler linéarisé fréquentielle opérationnelle. Efficacité: multi-RHS Laminarité. Prise en compte de la transition Contrôle d'écoulements. Opt d'architecture (grad topo) Couple (état aérodynamique, maillage), bornes d'erreur en maillage Surfaces de réponses avec incertitudes (MDO) Optimisation robuste. Front de Pareto Analyse numérique: couplage d'équations, ordre élevé, stabilité, accélération, conditions aux limites VA OÙ TON RÊVE TE PORTE