Εφαρμογή της Συνεχούς Συζυγούς Μεθόδου στην
Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση Επιβατικού Αυτοκινήτου

Κουτσαντώνης, Παναγιώτης; Koutsantonis, Panagiotis

dc.contributor.author	Κουτσαντώνης, Παναγιώτης	el
dc.contributor.author	Koutsantonis, Panagiotis	en
dc.date.accessioned	2018-05-14T09:13:00Z
dc.date.available	2018-05-14T09:13:00Z
dc.date.issued	2018-05-14
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46936
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15222
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Αερορυναμική βελτιστοποίηση	en
dc.subject	Επιβατικό αυτοκίνητο	el
dc.subject	Συνεχής Συζυγής Μέθοδος	el
dc.subject	Aerodynamic Optimization	en
dc.subject	Continuous Adjoint Method	en
dc.subject	Passenger Car	en
dc.title	Εφαρμογή της Συνεχούς Συζυγούς Μεθόδου στην Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση Επιβατικού Αυτοκινήτου	el
dc.title	Application of the Continuous Adjoint Method for the Aerodynamic Optimization of a Passenger Car	en
dc.contributor.department	PARALLEL CFD AND OPTIMIZATION UNIT OF NTUA	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	MECHANICAL ENGINEERING	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02
heal.abstract	Στη διάρκεια της διπλωματικής αυτής εργασίας πραγματοποιήθηκε εφαρμογή της συνε- χούς συζυγούς μεθόδου η οποία αναπτύχθηκε από τη Μονάδα Παράλληλης Υπολογι- στικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης (ΜΠΥΡ&Β) της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου (ΕΜΠ) σε περιβάλλον ανοικτού λογισμικού OpenFOAM® για την αεροδυναμική βελτιστοποίηση επιβατικού αυτοκι- νήτου. Η αεροδυναμική αντίσταση ή οπισθέλκουσα είναι μια από τις κύριες πηγές απώλειας ενέργειας των αυτοκινήτων και, συνεπώς, η ελαχιστοποίησή της αποτελεί πρωτεύοντα στόχο της αυτοκινητοβιομηχανίας. Με τη θέσπιση αυστηρότερης νομοθε- σίας σχετικά με τις εκπομπές καυσαερίων και την ανάπτυξη ηλεκτρικών και υβριδικών αυτοκινήτων καθώς και κινητήρων υδρογόνου, η ανάγκη για ελαχιστοποίηση των απω- λειών ενέργειας είναι πλέον αδήριτη. Η ανάλυση της ροής έγινε με αριθμητική επίλυση των εξισώσεων Navier-Stokes για ασυμπίεστο ρευστό και χρονικά μόνιμη, τυρβώδη ροή. Κατά την πραγματοποιηθείσα μελέτη έγινε χρήση τριών διαφορετικών μοντέλων τύρβης, του k-ε, του k-ω SST και του Spalart-Allmaras. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν και έγινε ανάλυση της ικανότητας πρόλεξης αυτών των μοντέλων τύρβης σε περιοχές που παρουσιάζουν μεγάλες κλίσεις πίεσης και στις οποίες αναμένεται αποκόλληση της ροής. Το ενδιαφέρον επικεντρώνεται στην αποτελεσματικότητα κάθε μοντέλου τύρβης στην ακριβή πρόλεξη του συντελεστή αντίστασης του οχήματος και των διαφόρων φαινομένων που σχετίζονται με αυτόν. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με πειραματικές μετρήσεις. Κατόπιν πραγματοποιήθηκε επίλυση του συζυγούς προβλήματος χρησιμοποιώντας λο- γισμικό το οποίο δημιουργήθηκε από τη ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ στο περιβάλλον OpenFOAM® και έγινε υπολογισμός των παραγώγων ευαισθησίας. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει ο χάρτης ευαισθησίας πάνω στην επιφάνεια του αυτοκινήτου, ο οποίος αποτελεί μια γρα- φική αποτύπωση των παραγώγων της αντικειμενικής συνάρτησης ως προς την κάθετη μετατόπιση των κόμβων του επιφανειακού πλέγματος επάνω στο αυτοκίνητο και υπο- δηλώνει προς τα που πρέπει να μετακινηθεί η εξωτερική επιφάνεια του αυτοκινήτου ούτως ώστε να μειωθεί η αεροδυναμική αντίσταση αυτού. Πραγματοποιείται σύγκρι- ση των υπολογισθέντων χαρτών ευαισθησίας από τα τρία μοντέλα τύρβης. Γίνεται επίσης ανάλυση της επιρροής της τάξης ακρίβειας της διακριτοποίησης των εξισώσεων του μοντέλου τύρβης κατά την επίλυση του πρωτεύοντος προβλήματος στους υπολο- γιζόμενους χάρτες ευαισθησίας. Εξετάζονται και άλλα θέματα, όπως η σύγκλιση και η ευστάθεια της αριθμητικής επίλυσης του πρωτεύοντος και συζυγούς προβλήματος. Για τη βελτιστοποίηση μορφής του οχήματος, χρησιμοποιήθηκε μοντέλο μισού αυ- τοκινήτου. Για την παραμετροποίηση της γεωμετρίας του αυτοκινήτου έγινε χρήση λογισμικού το οποίο αναπτύχθηκε απο τη ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ και βασίζεται στις ογκι- κές B-Splines. Στη συνέχεια, διερευνήθηκε η βέλτιστη μεταβολή της γεωμετρίας του αυτοκινήτου, ούτως ώστε το αποτέλεσμα της βελτιστοποίησης να αποτελεί ένα απο- δεκτό για τη βιομηχανία σχήμα. Για το σκοπό αυτό εφαρμόστηκαν και εξετάστηκαν διάφορες παραλλαγές των ρυθμίσεων του μορφοποιητή με στόχο το βέλτιστο έλεγχο της προς σχεδιασμό επιφάνειας. Με τον τρόπο αυτό επιτεύχθηκε η μορφοποίηση συ- γκεκριμένων μεμονωμένων περιοχών του οχήματος, ικανοποιώντας τους περιορισμούς και τα όρια που θέτει η βιομηχανία -για σχεδιαστικούς κυρίως λόγους- σχετικά με τα περιθώρια μεταβολής της γεωμετρίας.	el
heal.abstract	This diploma thesis presents the application of the continuous adjoint method developed by the Parallel CFD & Optimization Unit (PCOpt/NTUA) of the School of Mechanical Engineering of the National Technical University of Athens, integrated in the OpenFOAM® environment, to the aerodynamic optimization of a Toyota passenger car. Aerodynamic drag is one of the major energy loss sources in vehicles today and its minimization is a primary target in the automotive industry. With gas emission regulations becoming stricter, along with the emerging electric, hybrid and hydrogen vehicles, the reduction of energy loss is of key significance for vehicle development. In order to go through with the aerodynamic optimization of the vehicle i.e. the minimization of its drag coefficient, an analysis of the external flow development and structure is necessary. This comes down to the use of Computational Fluid Dynamics for the prediction of the velocity, pressure and turbulence fields around the surface of the vehicle, also known as the primal or flow problem. For this study, three different turbulence models are used; the k-e, k-w SST and the Spalart- Allmaras one. The resulting flow fields from the three models are compared and validated with wind tunnel measurements. The ability of each turbulence model to correctly predict important features of the flow, such as flow separation and reattachment is discussed. The primal flow fields obtained from each model are used as an input for the solution of the adjoint equations. This yields the adjoint flow field, i.e. the adjoint pressure and velocity fields around the vehicle which are, in turn, used for the computation of sensitivity derivatives. The ability of the adjoint method to correctly compute the required sensitivities in a timely fashion is what makes it stand out. In drag minimization problems, the sensitivity derivatives are the derivatives of the drag force w.r.t. the surface normal displacement of the vehicle’s outer surface points. Shape morphing of the geometry in the direction provided by the sensitivity derivatives will lead to the optimization of the vehicle’s shape, according to the selected objective function, in this case the drag coefficient. A colorful representation of the surface sensitivities on the vehicle, also referred to as the sensitivity map, is provided. Also, the comparison of the three sensitivity maps resulting from the three primal solutions from the k-e, the k-w SST and the Spalart-Allmaras models is carried out. Finally, the sensitivity derivatives are used as an input to the automatic shape morphing and optimization software developed by the PCOpt/NTUA, which utilizes volumetric B-Splines to perform the morphing of the geometry. Convergence and stability issues of the primal and adjoint simulations are also addressed. The major part of this diploma thesis was carried out in the premises of Toyota Motor Europe (TME) in Brussels, Belgium, during an 8 month long internship that took place from May until December 2017. On behalf of TME, the Industrial Advisor was Mr A. Delacroix.	en
heal.advisorName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	85 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true