Προσομοίωση και χαμηλού κόστους βελτιστοποίηση του ενεργητικού ελέγχου ροής ρευστού γύρω από αεροτομή, σε κάρτες γραφικών

Abstract

Στη διπλωματική αυτή εργασία αναπτύσσεται μια αριθμητική μεθόδος ενεργού ελέγχου της ροής γύρω από μεμονωμένη αεροτομή με εφαρμογή της τεχνικής συνεχούς αναρρόφησης. Παράλληλα, εφαρμόζεται μια μέθοδος βελτιστοποίησης των παραμέτρων της παραπάνω τεχνικής σε αεροτομή με μια ή περισσότερες οπές αναρρόφησης. Βασικό τμήμα και συνεισφορά της εργασίας αυτής είναι η ανάπτυξη μιας πλήρους και αυτοματοποιημένης διαδικασίας δημιουργίας οπών δεσμών αναρρόφησης ή έγχυσης ρευστού, αριθμητικής προσομοίωσης της μεθόδου και βελτιστοποίησης των αντίστοιχων παραμέτρων σε αεροτομές. Η διαδικασία εφαρμόζεται και επιδεικνύεται σε αεροτομή τύπου NACA 4415. Με δεδομένα τα χαρακτηριστικά της δέσμης, κατασκευάζεται μη--δομημένο υπολογιστικό πλέγμα γύρω από την αεροτομή και ακολουθεί η αριθμητική επίλυση της ροής με λογισμικό του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών (επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes σε κάρτες γραφικών Nvidia). Η χρήση καρτών γραφικών έχει ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση της επίλυσης των εξισώσεων ροής περίπου 40 φορές σε σχέση με την επίλυση τους σε επεξεργαστή μονού πυρήνα. Η γένεση της γεωμετρίας και του υπολογιστικού πλέγματος είναι πλήρως αυτοματοποιημένη δίνοντας τη δυνατότητα εφαρμογής αλγορίθμου βελτιστοποίησης με παραμέτρους σχεδιασμού τα χαρακτηριστικά της δέσμης. Αυτά είναι η θέση της οπής αναρρόφησης, η γωνία της δέσμης με το τοίχωμα της αεροτομής, το μέγεθος του ανοίγματος της οπής και η παροχή αναρρόφησης. Για την εύρεση των προαναφερθεισών βέλτιστων τιμών χρησιμοποιείται λογισμικό βελτιστοποίησης του ΕΘΣ (EASY) βασισμένο σε εξελικτικούς αλγόριθμους. Τα αποτελέσματα της εργασίας είναι αρκετά ενθαρρυντικά αφού για τη συγκεκριμένη αεροτομή και κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες ροής υπολογίστηκε αύξηση του συντελεστή άνωσης και μείωση του συντελεστή αντίστασης 59% και 75%, αντίστοιχα.

In this diploma thesis a numerical method of active flow control around isolated airfoil, using steady suction technique, is developed. Furthermore, an optimization procedure is applied on the aforementioned technique for an airfoil with one or more suction slots. The main contribution of this thesis is the development of a fully automated procedure of designing slots with blowing or suction jets, numerical simulation of the method and optimization of the control variables, around airfoils. The procedure is applied on a NACA 4415 airfoil. Given the design parameters of the jet, an unstructured grid is generated around the airfoil and the Navier-Stokes equations are solved on Nvidia GPUs using software developed in the Laboratory of Thermal Turbomachines (LTT). The use of GPUs results in accelerating the solving of Navier-Stokes equations around 40 times compared with the solving of the equations on a single core CPU. The geometry building and grid generation are fully automated, which enables the use use of optimization algorithm taking as design variables the jet attributes. These are the position of the suction slot, the angle between jet and airfoil surface, the width of the slot and the suction mass flow. The optimal values of these design variables are found using optimization software of LTT (EASY) based on evolutionary algorithms. The results of the work done are extremely positive since, for the specific airfoil and under specific flow conditions, the lift coefficient increased and the drag coefficient decreased 59% and 75%, respectively.