Application of the continuous adjoint method in the design-optimization of automotive HVAC Ducts

Μαργέτης, Ανδρέας Στέφανος; Margetis, Andreas Stefanos

dc.contributor.author	Μαργέτης, Ανδρέας Στέφανος	el
dc.contributor.author	Margetis, Andreas Stefanos	en
dc.date.accessioned	2020-04-07T20:57:12Z
dc.date.available	2020-04-07T20:57:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50098
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.17796
dc.rights	Default License
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Συνεχής συζυγής μέθοδος	el
dc.subject	Continuous adjoint	en
dc.subject	HVAC	en
dc.subject	Αεραγωγός αυτοκινήτου	el
dc.subject	OpenFOAM	en
dc.subject	Computational fluid dynamics	en
dc.subject	Τυρβώδεις ροές	el
dc.subject	Optimization	en
dc.title	Application of the continuous adjoint method in the design-optimization of automotive HVAC Ducts	en
dc.title	Εφαρμογή της συνεχούς συζυγούς μεθόδου στη βελτιστοποίηση μορφής αεραγωγών κλιματισμού επιβατικού αυτοκινήτου	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Mechanical engineering	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07
heal.abstract	Η διπλωματική εργασία ασχολείται με την εφαρμογή της συνεχούς συζυγούς μεθόδου στη βελτιστοποίηση της μορφής αγωγών κλιματισμού επιβατικού αυτοκινήτου με το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας να πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις της BMW στο Μόναχο. Ο επιλύτης της ροής και ο συνεχής συζυγής επιλύτης που χρησιμοποιήθηκε για το σκοπό αυτό έχει αναπτυχθεί από τη Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης (ΜΠΥΡ&Β) του ΕΜΠ σε περιβάλλον OpenFOAM. Το λογισμικό αυτό υπολογίζει τις παραγώγους ευαισθησίας της επιλεγείσας από τον μηχανικό αντικειμενικής συνάρτησης ως προς τις συντεταγμένες των επιφανειακών κόμβων της υπό βελτιστοποίηση γεωμετρίας. Με γνωστές αυτές τις παραγώγους, οι οριακοί κόμβοι μετακινούνται, βελτιώνοντας την τιμή της αντικειμενικής συνάρτησης, εφαρμόζοντας το λογισμικό βελτιστοποίησης μορφής ‘ShapeModule’ της BMW, το οποίο βασίζεται στην τεχνική μορφοποίησης των κόμβων του πλέγματος (Vertex Morphing). Στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας προγραμματίσθηκε λογισμικό για την επικοινωνία του επιλύτη του ευθέος και συζυγούς προβλήματος της ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ με το ShapeModule, το οποίο περιλαμβάνει την εγγραφή και ανάγνωση των απαραίτητων αρχείων επικοινωνίας (File-IO coupling) αντικαθιστώντας το πρότερα χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο επικοινωνίας MPI. Συγχρόνως, επεκτάθηκε το λογισμικό επικοινωνίας ώστε να μπορεί να υποστηρίζει το ξεχωριστό χειρισμό των παραγώγων ευαισθησίας κάθε συζυγούς επιλύτη. Μετά την επιτυχή σύζευξη των δύο κωδίκων, σχεδιάστηκε και βελτιστοποιήθηκε αγωγός κλιματισμού της καμπίνας επιβατικού αυτοκινήτου (HVAC, Heating, Ventilation and Air Conditioning). Δεδομένου ότι η αρχική γεωμετρία ήταν ένα κουτί με μία είσοδο και τρεις εξόδους, πραγματοποιήθηκε αρχικά βελτιστοποίηση τοπολογίας προκειμένου να παραχθεί ένας αρχικός αγωγός ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη βελτιστοποίηση μορφής. Στη συνέχεια η παραχθείσα γεωμετρία εξομαλύνθηκε χρησιμοποιώντας κατά σειρά τα λογισμικά Inspire της εταιρείας Altair και ANSA της εταιρείας BETA CAE Systems. Στο τελικό στάδιο, ο αγωγός βελτιστοποιήθηκε με το συζευγμένο λογισμικό της ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ και ShapeModule χρησιμοποιώντας δύο αντικειμενικές συναρτήσεις. Η πρώτη εξ αυτών στοχεύει στην ελαχιστοποίηση των απωλειών ολικής πίεσης μεταξύ εισόδου και εξόδων, ενώ η δεύτερη στην ελαχιστοποίηση του παραγόμενου θορύβου στις εξόδους του αγωγού μέσω της μείωσης της τυρβώδους συνεκτικότητας σε επιλεγμένα τμήματά του. Παράλληλα, αναπτύχθηκε η συνεχής συζυγής μέθοδος για αντικειμενική συνάρτηση που εκφράζει την ομοιομορφία της ροής στην έξοδο της υπό βελτιστοποίηση γεωμετρίας. Η αντικειμενική αυτή συνάρτηση χρησιμοποιήθηκε σε ένα διαφορετικό αγωγό κλιματισμού επιβατικού αυτοκινήτου με μία είσοδο και μία έξοδο τόσο για την μονοκριτηριακή βελτιστοποίησή του όσο και σε συνδυασμό με την αντικειμενική συνάρτηση των απωλειών ολικής πίεσης σε δικριτηριακή βελτιστοποίηση με στάθμιση βαρών και με περιορισμούς. Στις προσομoιώσεις αυτές χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά το λογισμικό της ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ.	el
heal.abstract	This thesis presents the use of the continuous adjoint method for the shape optimization of HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) ducts of a passenger vehicle and the main part of the presented work was carried out at the BMW premises in Munich. The flow and the continuous adjoint solver used for this purpose have been developed by the Parallel CFD & Optimization Unit (PCOpt) of NTUA in the OpenFOAM environment. This software computes the sensitivity derivatives of the objective function chosen by the engineer, with respect to the surface nodes coordinates of the geometry being optimized. Using these derivatives, the surface nodes move in order to improve the objective function value as computed by the BMW optimization software ‘ShapeModule’, whose operation is based on the node-based optimization method known as Vertex Morphing. As part of this thesis, the communication software between the flow and adjoint solver of PCOpt/NTUA and ShapeModule was reimplemented, basing its functionality on reading and writing of the necessary files (File-IO coupling) rather than on the previously used MPI communication protocol. Furthermore, the communication software was expanded to support the separate use of the sensitivity derivatives computed by each adjoint solver. After the successful coupling of the two softwares, an HVAC duct was designed and optimized. Given that the initial geometry was a box with one inlet and three outlets, topology optimization was applied at first, in order to produce a first shape of the duct that was then optimized further using shape optimization. Subsequently, the produced geometry was smoothed using the Inspire software and the ANSA software. At the final stage, the duct was optimized with the coupled PCOpt/NTUA and ShapeModule software, using two objective functions. The first one aims at the minimization of the total pressure losses between inlet and outlets, whereas the second one is a surrogate, noise-related objective function, which aims at the minimization of the turbulence related noise by minimizing the integral of the squared turbulent viscosity in specific parts of the duct.\\ Furthermore, the continuous adjoint method for an objective function that describes the flow uniformity at the outlet of the domain to be optimized was developed. This objective function was used on a different HVAC duct with one inlet and one outlet in a single-objective optimization problem, but also together with the total pressure losses objective function in a double-objective optimization problem. These simulations were conducted by using exclusively the PCOpt/NTUA software.	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. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	68 σ.
heal.fullTextAvailability	true