¿Por qué los simuladores de vuelo son malos para predecir los valores de resistencia y sustentación en ángulos de ataque altos? (el régimen de flujo no lineal)

El flujo laminar es fácil . Si bien existe un conjunto completo de ecuaciones diferenciales que describen cualquier flujo de fluido, existe una gran cantidad de simplificaciones y suposiciones que puede usar en el flujo laminar. Esto significa que X-Plane no necesita modelar todo el aire alrededor del ala, pero puede hacer los cálculos basados ​​en el perfil del ala y las velocidades locales. Todo es relativamente lineal, por lo que solo puede cambiar algunas variables y usar parámetros predeterminados. Además, es completamente invariante en el tiempo en estado estacionario. Ahora puede resolver fácilmente las ecuaciones, integrar el perfil de presión calculado a lo largo del ala, ¡y listo!

Para el flujo turbulento, nada de eso es válido. La forma actual de simular flujo turbulento es hacer un análisis de elementos finitos o similar (por ejemplo, FDM ). Básicamente, tendrá que tener en cuenta todosel aire en un gran volumen alrededor del ala, divídalo en una pequeña cuadrícula y simule. Para un buen cálculo, esto toma del orden de segundos a minutos para una sola sección transversal 2D en mi computadora portátil bastante decente. Y luego estamos descuidando las influencias 3D. Además, el flujo turbulento cambia con el tiempo. Por ejemplo, abra la ventanilla de su automóvil en la carretera: escuchará el viento rugir y pulsar. Esto significa que necesitará obtener su campo de presión y velocidad anterior y usarlo como punto de partida para su próximo análisis FEM/FDM. Finalmente, el flujo turbulento es extremadamente difícil de predecir correctamente, incluso con los métodos anteriores: una superficie ligeramente más rugosa, un pequeño perno o una pequeña ráfaga de viento pueden retrasar la separación del flujo por unas pocas pulgadas, invalidando por completo sus resultados. tal vez estoEl video de YouTube (nota: ¡esto no es una simulación en tiempo real!) podría arrojar algo de luz sobre la gran complejidad y la dependencia del tiempo del flujo turbulento, y recuerde que su estabilizador horizontal verá aire perturbado en condiciones de pérdida, por lo que es necesario simular el todo el campo de flujo alrededor del avión para una simulación correcta, no solo las secciones del ala.

Por supuesto, X-plane tiene una velocidad de fotogramas medida en fotogramas por segundo, no fotogramas por hora. Esto significa que usan un montón de suposiciones para calcular la sustentación del ala. Supongo que solo tienen algunos valores para la ubicación de la separación del flujo y la presión turbulenta para algunas velocidades y ángulos fijos, y los interpolan a los valores reales. Supongo que también tienen algunos parámetros que en realidad no se calculan, pero se eligen de tal manera que son posibles algunas maniobras muy básicas como la recuperación del giro, independientemente de si estos valores corresponden a algún fenómeno físico real; después de todo, es un juego.

Porque el flujo de aire real no es laminar 2D.

No estoy seguro de qué tan avanzados estamos con CFD de flujo turbulento 3D en ángulos de ataque más bajos. Pero con ángulos de ataque altos, el flujo de aire se separa del cuerpo de la corriente y crea un patrón salvaje y aleatorio de fluctuaciones de flujo, lo que no es el mejor candidato para CFD.

Los simuladores de vuelo completos de nivel D deben coincidir con un conjunto de datos que se miden en una aeronave real. Este conjunto de datos se refiere a condiciones de vuelo razonables, como las que se encuentran generalmente durante los vuelos comerciales de los aviones, e incluye la mayoría de las situaciones de emergencia en las que los pilotos están capacitados.

El AoA de cabeceo se mide entre aproximadamente -2º y el inicio de pérdida, aproximadamente 25º. y +/- 15º de deslizamiento lateral, pero no en combinaciones de AoA extremo y deslizamiento lateral. La región que se mide durante las pruebas de vuelo se ve como el verde en la imagen de abajo, que son los estados de vuelo en los que los simuladores de nivel D deben coincidir muy de cerca con los datos de vuelo:

Los cuadros azul y amarillo son interpolaciones y extrapolaciones de los datos de búsqueda de tablas utilizados para el área de Aceptación. Esto es suficiente para entrenar la entrada a la pérdida, pero no lo suficiente para entrenar la recuperación de una pérdida completamente desarrollada, como sucedió con el AF 447. La FAA introducirá el requisito de que los pilotos entrenen la recuperación de una pérdida completamente desarrollada, y Airbus y Boeing están trabajando en la actualización de sus paquetes de datos.

Se han utilizado algunos datos de registradores de vuelo de aeronaves accidentadas y datos del túnel de viento para modelar el comportamiento de entrada en pérdida de diferentes tipos de aeronaves (ala baja, cola en T, etc.), y ya están operativos los primeros simuladores que pueden entrenar esto. Alaska Airlines tiene uno.

No puedo responder para qué modelo CFD (o estrategia/combinación de los mismos) utiliza ninguno de los simuladores de vuelo.

Puedo decir que CFD, en general, está más limitado por los recursos disponibles (FLOPS y tiempo) que por la precisión. Al menos, este es el caso de una variedad de situaciones en las que ocurre la mayoría de las simulaciones de vuelo.

La simulación de vuelo en tiempo real (hoy) debe hacer uso de "parametrizaciones" abreviadas de la cuadrícula de simulación, para resolver las fuerzas del modelo en el FPS de la experiencia del usuario. Si la COU (y potencialmente la GPU) pudiera realizar más operaciones, entonces la cuadrícula de simulación podría usar cajas más pequeñas, por lo tanto, de mayor resolución y más precisas.

Las cuadrículas de simulación de mayor resolución espacial, junto con las cuadrículas de mayor resolución temporal, pueden capturar mejor los pequeños defectos de flujo. Estos conducen a cambios en la topología del flujo, ondas de compresión, separaciones de la capa límite y otras no linealidades más complejas.

Lo siento, no puedo responder la parte de física. Puede ser una buena pregunta sobre Physics StackExchange .

En un punto de vista de programación (SuperUser?):

• Los cálculos de puntos flotantes se encuentran entre los que hacen un uso más intensivo de la CPU.
• La precisión importa cuando se habla de comportamiento físico. Sin suficiente precisión, algunos parámetros pueden saltar de un valor a otro exagerado, incluso al valor opuesto (stackoverflow), incluso si es el siguiente valor disponible el que se puede almacenar en bits. Todo lo que una computadora puede hacer son aproximaciones.
• Ciclo de actualización/ciclo de actualización, o duración del intervalo entre cambios de estado en los parámetros físicos. 10 milisegundos pueden parecer realmente pequeños y buenos para simular propiedades físicas. Sin embargo, ponga la aeronave en condiciones de pérdida y se dará cuenta de que 10 ms no son suficientes para resolver con precisión la eficiencia de todos los componentes de la superficie en una computadora normal. Es por eso que en algunos simuladores, especialmente en los antiguos, tienes un comportamiento inesperado de la aeronave como alabeos/cabeceos/guiñadas brutales.
• Condición de carrera. Esta es una situación preocupante sobre las tareas paralelas realizadas por la computadora. En pocas palabras, una tarea es calcular las fuerzas vectoriales aplicadas en la aeronave. Otra tarea paralela son las entradas del usuario o del piloto automático. Y otra tarea es generar nuevas condiciones de flujo de aire, como ráfagas y turbulencias. Esos no están sincronizados. Cuantas más tareas, se producen otros cálculos asincrónicos.
• Una computadora simplemente hace lo que se le ha enseñado a hacer. La aeronave puede romperse si el valor de un parámetro supera un cierto límite, y un parámetro mal calculado induce una reacción exagerada brutal (debido al ciclo de actualización anterior o parámetros obsoletos debido a las tareas múltiples asíncronas) Algunas comprobaciones de retroceso de amortiguación pueden ser agregado en el código (como en las entradas de pilotos controlados por computadora), pero esto también agrega más cálculos para realizar en la computadora del usuario donde está instalado el simulador.
• Actualización aleatoria. Para crear turbulencias, por ejemplo, debe crear parámetros aleatorios dinámicos cuyos límites cambien según las condiciones climáticas, la altitud, las ubicaciones geográficas, etc. Esto se suma a los cálculos generales que se deben realizar.
• Por cierto, el simulador tiene que mostrar datos gráficos en pantalla y manejar miles de objetos con millones de parámetros. Esa es también la razón por la que, a diferencia de X-Plane de FSX/P3D, los simuladores profesionales reales no se preocupan mucho por los objetos del escenario (tráfico) y otros atractivos visuales como la belleza de las nubes o el resplandor del sol. Porque se priorizan los cálculos físicos.

No es que los datos estén corruptos o mal calculados. Son 1) aproximaciones como resultado de fórmulas muy simplificadas o tablas/matrices de consulta para acelerar el tiempo de cálculo, y 2) no siempre se actualizan en el momento en que más se requieren (AOA alto) debido a la excesiva tarea a realizar para actualizarlas. . Agregar un parámetro (como una cerca de ala adicional sobre el ala) y los cálculos para realizar en cada actualización pueden aumentar de forma lineal o exponencial. El modelo físico no es incorrecto, pero tampoco es el más preciso.

Al final, uno puede acercarse a la mejor aproximación posible, pero a costa del tiempo de cálculo. A menudo escuchamos que una computadora tardó x semanas en calcular y billones de decimales de Pi, o z días para mostrar una descripción precisa de nuestra galaxia en colisión con M31 Andrómeda. Llegar allí es posible, pero aún no a través de simuladores públicos masivos como X-Plane, FSX o P3D. Las computadoras comunes aún no son lo suficientemente potentes, rápidas y precisas para reproducir comportamientos físicos en tiempo real tan complejos como la aerodinámica o la gravedad.