Por que os simuladores de vôo são ruins em prever valores de arrasto e sustentação em ângulos altos de ataque? (o regime de fluxo não linear)

O fluxo laminar é fácil . Embora exista um conjunto completo de equações diferenciais que descreva qualquer fluxo de fluido, há uma grande variedade de simplificações e suposições que você pode usar no fluxo laminar. Isso significa que o X-Plane não precisa modelar todo o ar ao redor da asa, mas pode fazer os cálculos com base no perfil da asa e nas velocidades locais. Tudo é relativamente linear, então você pode apenas alterar algumas variáveis e usar parâmetros predeterminados. Além disso, é completamente invariante no tempo em estado estacionário. Agora você pode resolver facilmente as equações, integrar o perfil de pressão calculado ao longo da asa e pronto!

Para fluxo turbulento, nada disso é válido. A maneira atual de simular o fluxo turbulento é fazer uma análise Elemento Finito ou semelhante (por exemplo, FDM ). Basicamente, você precisará considerar all o ar em um grande volume ao redor da asa, dividi-lo em uma pequena grade e simulá-lo. Para um bom cálculo, isso leva na ordem de segundos a minutos para uma única seção transversal 2D no meu laptop decente. E então estamos negligenciando as influências 3D. Além disso, o fluxo turbulento muda. Tempo. Por exemplo, abra a janela do seu carro na estrada - você ouvirá o rugido do vento e pulsará. Isso significa que você precisará obter seu campo de pressão e velocidade anterior e usá-lo como ponto de partida para sua próxima análise de FEM / FDM. Finalmente, o fluxo turbulento é extremamente difícil de prever corretamente, mesmo com os métodos acima: uma superfície levemente mais áspera, um pequeno parafuso ou uma pequena rajada de vento podem atrasar a separação do fluxo por alguns centímetros, invalidando completamente seus resultados. Talvez este vídeo do YouTube (nota: isso é não simulado em tempo real! pode lançar alguma luz sobre a vasta complexidade e dependência de tempo do fluxo turbulento - e lembre-se de que seu estabilizador horizontal verá ar perturbado em condições de parada, tornando necessário simular o campo de fluxo inteiro ao redor do avião para uma simulação correta, não apenas as seções da asa.

É claro que o plano X tem uma taxa de quadros medida em quadros por segundo, não em quadros por hora. Isso significa que eles usam um monte de suposições para calcular o levantamento da asa. Eu estou supondo que eles só têm alguns valores para a localização da separação de fluxo e pressão turbulenta para algumas velocidades e ângulos fixos, e interpolar para os valores reais. Meu palpite é que eles também têm alguns parâmetros que não são realmente calculados, mas são escolhidos de tal forma que algumas manobras básicas são possíveis, como a recuperação de spin, independentemente de esses valores corresponderem a algum fenômeno físico real - afinal de contas, é um jogo. / p>     

Porque o fluxo de ar real não é laminar em 2D.

Não tenho certeza de quanto tempo estamos com CFD de fluxo turbulento 3D em ângulos de ataque menores. Mas com altos ângulos de ataque, o fluxo de ar separa-se do corpo do riacho e cria um padrão selvagem e aleatório de flutuações de fluxo - e não o melhor candidato para CFD.

Os simuladores de vôo completos de nível D devem corresponder a um conjunto de dados que é medido em uma aeronave real. Esse conjunto de dados está em torno de condições de vôo razoáveis, como normalmente encontradas durante voos de receita de avião e incluindo a maioria das situações de emergência em que os pilotos são treinados.

O campo AoA é medido entre cerca de -2º para retardar o início, cerca de 25º. e +/- 15º de sideslip, mas não em combinações de AoA e sideslip extremos. A região que é medida durante os testes de voo parece que o verde está na imagem abaixo, que são os estados de voo nos quais os simuladores de Nível D devem corresponder muito de perto aos dados de voo:

As caixas azul e amarela são interpolações e extrapolações dos dados de consulta da tabela usados para a área Aceitação. Isso é suficiente para treinar a entrada em estábulo, mas não o suficiente para treinar a recuperação de um estande totalmente desenvolvido, como o que aconteceu com o AF 447. A FAA apresentará uma exigência de que os pilotos treinem a recuperação de uma baia completamente desenvolvida e que a Airbus e a Boeing estejam trabalhando. na atualização de seus pacotes de dados.

Alguns dados de gravadores de voo de aeronaves caídas e dados de túnel de vento foram usados para modelar o comportamento de stall de diferentes tipos de aeronave (asa baixa, cauda T, etc.) e os primeiros simuladores já estão operacionais que podem treinar isso. A Alaska Airlines tem um.

Eu não posso responder para qual modelo de CFD (ou estratégia / mix dele) é usado por qualquer um dos simuladores de vôo.

Posso dizer que o CFD, em geral, é mais limitado pelos recursos disponíveis (FLOPS e tempo) do que pela precisão. Pelo menos, esse é o caso para uma variedade de situações em que ocorre a maioria das simulações de voo.

Simulação de voo em tempo real (hoje) deve fazer uso de 'parametrizações' abreviadas da grade de simulação, a fim de resolver as forças do modelo no FPS da experiência do usuário. Se a COU (e potencialmente a GPU) pudesse realizar mais operações, então a grade de simulação poderia usar caixas menores - portanto, maior resolução e maior precisão.

Grades de simulação de resolução espacial mais altas, junto com grades de resolução temporal maiores, são capazes de capturar melhor pequenos defeitos de fluxo. Isso leva a alterações na topologia de fluxo, ondas de compressão, separações de camada limite e outras não-linearidades mais complexas.

Me desculpe, eu não posso responder a parte física. Pode ser uma boa pergunta em Physics StackExchange .

Em um ponto de vista de programação (SuperUser?):

• Os cálculos de pontos flutuantes estão entre os mais intensivos de CPU.
• Precisão é importante quando você fala sobre comportamento físico. Sem precisão suficiente, alguns parâmetros podem saltar de um valor para um exagerado, até para o valor oposto (stackoverflow), mesmo que seja o próximo valor disponível que pode ser armazenado em bits. Tudo o que um computador pode fazer são aproximações.
• Ciclo ciclo de atualização / atualização ou duração do intervalo entre estados mudanças nos parâmetros físicos. 10 milissegundos podem parecer muito pequenos e bons em simular propriedades físicas. No entanto, traga a aeronave em condições de parada e você percebe que 10 ms não são suficientes para resolver com precisão a eficiência de todos os componentes de superfície em um computador normal. É por isso que em alguns simuladores, especialmente os antigos, você tem um comportamento de aeronave inesperado, como rolos brutos / passos / bicos.
• condição de corrida. Esta é uma situação preocupante em tarefas paralelas feitas pelo computador. Simplificando, uma tarefa é calcular as forças de vetor aplicadas na aeronave. Outra tarefa paralela são as entradas do usuário ou do piloto automático. Outra tarefa é gerar novas condições de fluxo de ar, como rajadas e turbulências. Aqueles não estão sincronizados. Quanto mais tarefas, os outros cálculos assíncronos ocorrem.
• Um computador apenas faz o que foi ensinado a fazer. A aeronave pode quebrar se o valor de um parâmetro ultrapassar um certo limite, e uma brutal reação exagerada é induzida por um parâmetro mal calculado (devido ao ciclo de atualização acima ou parâmetros obsoletos devido às multi tarefas assíncronas) Algumas verificações de fallbacks de amortecimento podem ser adicionado no código (como em entradas de pilotos conduzidas por computador), mas isso também adiciona mais computações para executar no computador do usuário onde o simulador está instalado.
• Atualização aleatória. Para fazer turbulências, por exemplo, você precisa criar parâmetros aleatórios dinâmicos cujos limites mudam dependendo das condições climáticas, altitude, localizações geográficas, etc. Isso aumenta os cálculos gerais a serem executados.
• A propósito, o simulador tem que renderizar dados gráficos na tela e manipular milhares de objetos com milhões de parâmetros. É também por isso que, ao contrário do X-Plane do FSX / P3D, simuladores profissionais reais não se importam muito com objetos de cenários (tráfego) e outros olhos como a beleza das nuvens ou o brilho do sol. Porque os cálculos físicos são priorizados.

Não é que os dados estejam corrompidos ou mal calculados. São 1) aproximações como resultados de fórmulas muito simplificadas ou tabelas de consulta / matrizes para agilizar o tempo de computação, e 2) nem sempre são atualizadas no momento em que são mais requeridas (alta AOA) devido a tarefa excessiva executar para atualizá-las . Adicionar um parâmetro (como uma cerca de asa extra acima da asa) e cálculos para executar em cada atualização pode aumentar de forma linear ou exponencial. O modelo de física não está incorreto, mas também não é o mais preciso.

No final, pode-se chegar perto da melhor aproximação possível, mas ao custo do tempo de computação. Muitas vezes ouvimos um computador levou x semanas para calcular y trilhões de decimais de Pi, ou z dias para exibir uma visão geral precisa da nossa galáxia colidindo com M31 Andromeda. Chegar lá é possível, mas ainda não através de simuladores públicos de massa como o X-Plane, FSX ou P3D. Os computadores comuns não são poderosos, rápidos e precisos o suficiente para reproduzir comportamentos físicos em tempo real complexos como a aerodinâmica ou a gravidade.