RICERCA ITALIANA     

Sviluppo di modelli numerici innovativi per la simulazione fluidodinamica di veicoli aerospaziali

Politecnico di Bari

Abstract

L'obiettivo di questo progetto di ricerca è sviluppare uno strumento di calcolo, basato sul metodo dei contorni immersi (IB) per la soluzione delle equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS), per la simulazione fluidodinamica di veicoli aerospaziali. Questo solutore sarà usato come strumento di supporto alla progettazione di veicoli spaziali a basso costo riutilizzabili, come il prototipo costruito dal Centro Italiano Ricerche Aerospaziali (CIRA) nell'ambito del programma spaziale Italiano di volo senza pilota, denominato PRORA USV, che si prefigge di realizzare una serie di voli sperimentali (FTB) per sviluppare le tecnologie di base dei futuri lanciatori riutilizzabili. I dati aerodinamici e strutturali registrati durante questi voli saranno utilizzati in questo progetto di ricerca per la verifica dei risultati numerici. Il solutore RANS si basa su un codice di calcolo sviluppato di recente dalla unità di ricerca (UR) del Politecnico di Bari che sarà parallelizzato mediante una strategia di decomposizione del dominio di calcolo. Nell'approccio IB, la presenza di un contorno complesso è sostituita da una distribuzione di termini forzanti nelle equazioni del moto che riproducono l'effetto del corpo sul flusso. Questa tecnica consente di evitare la generazione di una griglia di calcolo conforme al corpo, operazione che nel caso di corpi tridimensionali complessi diventa estremamente difficile ed onerosa e può facilmente superare il tempo >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Pietro De Palma Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

I due obiettivi principali che il presente progetto di ricerca perseguirà sono lo sviluppo di uno strumento avanzato per la simulazione fluidodinamica di velivoli per missioni aerospaziali, e, di seguito, l'impiego dello stesso per ottenere informazioni utili nella fase di progettazione di velivoli spaziali senza pilota, come il prototipo realizzato di recente dal CIRA e già impiegato per un primo volo sperimentale. Questo test di volo rientra nel Programma di Ricerca Aerospaziale Unmanned Space Vehicle (PRORA USV), che punta a sviluppare e verificare le tecnologie per la realizzazione di velivoli spaziali riutilizzabili. Un efficiente codice di calcolo si rende necessario per ridurre i tempi ed i costi di una progettazione di tale complessità. Di contro, i codici di calcolo (anche commerciali) che attualmente rappresentano lo stato dell'arte, hanno ancora numerosi aspetti che devono essere migliorati per diventare davvero utili nella progettazione ingegneristica. Il tempo richiesto per una simulazione "realistica" è uno degli aspetti più critici: questo infatti è somma di due contributi, cioè il tempo richiesto per la generazione della griglia di calcolo e quello richiesto per il calcolo fluidodinamico. Per flussi di interesse industriale, in generale all'esterno di o attraverso corpi di forma complessa, la generazione di una griglia di qualità elevata conforme ad una superficie tridimensionale complessa si rivela un compito estremamente >>>

Risultati parziali attesi

Per raggiungere l'obiettivo finale del presente progetto di ricerca, che consiste nel mettere a punto uno strumento avanzato di calcolo per le simulazioni fluidodinamiche di veicoli aerospaziali, ciascuna unità di ricerca (RU) dovrà conseguire dei risultati intermedi, come di seguito illustrato.

La RU del Politecnico di Bari dovrà sviluppare una nuova struttura dati flessibile di tipo "edge-based" (cioè orientata alle facce delle celle computazionali) per facilitare il processo di infittimento locale della griglia. Inoltre il codice di calcolo sarà modificato per l'impiego su calcolatori paralleli mediante l'utilizzo del protocollo MPI e una strategia di decomposizione della griglia per il bilanciamento dei carichi sui processori. Un primo risultato sarà l'accoppiamento modulo numerico "open-source" per la decomposizione della griglia di calcolo (METIS, si veda modello B) con il solutore RANS sviluppato in precedenza dalla RU del Politecnico di Bari. Più nello specifico, alla fine del primo anno sarà funzionante il nuovo preprocessore che si occupa della generazione della griglia basata sulla tecnica del "ray-tracing", e della decomposizione del dominio per mezzo di METIS. Questa fase di pre-processing verrà anch'essa eseguita su calcolatori paralleli in modo da poter generare agevolmente anche griglie computazionali con molte celle (nell'ordine delle decine di milioni) producendo le griglie >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

Il lancio di satelliti e veicoli spaziali è un'operazione strategica e costosa con alti rischi di insuccesso che pone diverse sfide alla comunità scientifica. Oggigiorno, esiste una forte competizione tra USA, Europa, Giappone, India e Cina che porta ad uno sforzo continuo verso la riduzione dei costi ed il miglioramento dell'affidabilità dei sistemi di lancio. Recentemente, la comunità scientifica aerospaziale ha mostrato un crescente interesse verso lo sviluppo di unità denominate Reusable Launch Vehicle (RLV), che promettono di ridurre i costi delle missioni spaziali e di consentire un più facile accesso allo spazio. La tecnologia disponibile per questi lanciatori riutilizzabili non è ancora soddisfacente rispetto alla riduzione dei costi di lancio. Pertanto, è necessario sviluppare una tecnologia più avanzata affinché la realizzazione di lanciatori commerciali riutilizabili diventi fattibile. In USA, Europa e Giappone diversi programmi di ricerca e sviluppo sono stati avviati. In Europa, l'Agenzia Spaziale Europea (European Space Agency, ESA) ha deciso di creare un programma per lo studio di tecnologie preliminari per i futuri sistemi di lancio: il programma denominato Future Launcher Preparatory Programme (FLPP). Il FLPP è stato approvato nel febbraio 2004 con lo scopo di acquisire conoscenze relative alle tecnologie per i futuri lanciatori riutilizzabili. Il FLPP è progettato per rafforzare le competenze in tecnologie innovative dell'industria >>>