Βελτιστοποίηση μορφής αυτοκινήτου με χρήση εξελικτικού αλγορίθμου και υπολογιστικής ρευστοδυναμικής

Abstract

Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιείται και αυτοματοποιείται μια μέθοδος αεροδυναμικής ανάλυσης (με λογισμικό υπολογιστικής ρευστοδυναμικής) και, στη συνέχεια, μια διαδικασία βελτιστοποίησης (με λογισμικό εξελικτικών αλγορίθμων) μιας απλοποιημένης μορφής αυτοκινήτου. Πρόκειται για μια χαρακτηριστική περίπτωση-benchmark, ευρύτατα χρησιμοποιούμενη από τις αυτοκινητοβιομηχανίες. Η βελτιστοποίηση στοχεύει στην ελαχιστοποίηση του αεροδυναμικού συντελεστή αντίστασής του οχήματος. Παρά την απλοποιημένη γεωμετρία, το πρόβλημα της ανάλυσης και της βελτιστοποίησης (αλλά ακόμη και αυτό της γένεσης πλέγματος) παρουσιάζει αρκετή πολυπλοκότητα, ιδίως επειδή κατά τη βελτιστοποίηση απαιτείται να γίνονται οι διαδικασίες αυτόματα, χωρίς την παρέμβαση του χρήστη-σχεδιαστή. Η εργασία παρουσιάζει με λεπτομέρειες όλα τα στάδια που απαιτούνται για την ανάλυση του προβλήματος ροής και τη βελτιστοποίηση. Στην εργασία αυτή γίνεται, πρώτα, αξιολόγηση ενός νέου κώδικα γένεσης πλέγματος καθώς είναι μια από τις τελευταίες προσθήκες στο πακέτο λογισμικού ανοιχτού πηγαίου κώδικα OpenFOAM (Field Operation and Manipulation, ειδικό τμήμα του οποίου αναπτύσσεται πλέον από την ΜΠΥΡΒ/ΕΜΠ) το οποίο χρησιμοποιείται για την επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes και τον υπολογισμό του συντελεστή αντίστασης του σώματος. Μεταξύ άλλων, εντοπίζονται διαφορές στην πρόλεξη των ροϊκών φαινομένων από διαφορετικά μοντέλα τύρβης. Πραγματοποιούνται και συγκρίσεις με πειραματικά αποτελέσματα για πιστοποίηση των υπολογιστικών αποτελεσμάτων. Στο πρόβλημα βελτιστοποίησης υιοθετείται κατάλληλη παραμετροποίηση της μορφής του πίσω-κάτω μέρους του οχήματος, ώστε να προκύπτει μια απλοποιημένη μορφή διαχύτη, και αναζητούνται οι βέλτιστες τιμές των έτσι οριζόμενων μεταβλητών σχεδιασμού με το λογισμικό βελτιστοποίησης EASY που έχει αναπτυχθεί από τη ΜΠΥΡΒ/ΕΜΠ.

In this diploma thesis, an automatic process for the aerodynamic analysis (using CFD software) of a simplified car geometry is set up and, then, is also used for its shape optimization (by means of evolutionary algorithms). The problem studied is a popular benchmark case in car industries. The optimization task aims at minimizing the drag coefficient of the body. Despite the simplified shape of the body used, developing a quality mesh generation process and computing the characteristics of the flow is complex and computationally demanding, especially within an evolutionary optimization algorithm where all processes need to be automated and executed with no further human input. A complete presentation of all the necessary steps taken for the aerodynamic analysis and optimization process is given in this work. Firstly, an evaluation of a relatively new mesh generation tool, included in the open source CFD software package OpenFOAM (Field Operation and Manipulation), takes place. OpenFOAM, part of which is co-developed by the PCFD&O/NTUA, is also used for solving the Navier-Stokes equations for the computation of the flow characteristics and drag coefficient of the body. Over and above, results using different turbulence models are compared with experimental data available. The design variables are defined so as to control the shape of a simplified diffuser formed at the rear-lower part of the vehicle. The EASY optimization software, developed by PCFD&O /NTUA, is used to seek their optimal values (yielding the optimal shape of the diffuser) for minimum drag.