Aerodynamic design, analysis & adjoint shape optimization of the drivAer motorsport underfloor using openFOAM

Νικολακόπουλος, Αναστάσιος; Nikolakopoulos, Anastasios

dc.contributor.author	Νικολακόπουλος, Αναστάσιος	el
dc.contributor.author	Nikolakopoulos, Anastasios	en
dc.date.accessioned	2020-05-11T19:20:06Z
dc.date.available	2020-05-11T19:20:06Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/50466
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.18164
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Optimization	en
dc.subject	Συνεχής συζυγής μέθοδος	el
dc.subject	Continuous adjoint method	el
dc.subject	Υπολογιστική ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Computational fluid dynamics	el
dc.subject	Αγωνιστικό αυτοκίνητο	el
dc.subject	Race car	el
dc.subject	Αεροδυναμική	el
dc.subject	Aerodynamics	el
dc.title	Aerodynamic design, analysis & adjoint shape optimization of the drivAer motorsport underfloor using openFOAM	en
dc.title	Αεροδυναμικός Σχεδιασμός Ανάλυση & Βελτιστοποίηση Μορφής Με Τη Συζυγή Μέθοδο Αγωνιστικού Πατώματος Αυτοκινήτου Σε Περιβάλλον OpenFOAM	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Βελτιστοποίηση	el
heal.classification	Αεροδυναμική	el
heal.classification	Μηχανική Ρευστών	el
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-18
heal.abstract	Στόχος της διπλωματικής εργασίας εργασίας είναι η εφαρμογή εργαλείων αεροδυναμικής ανάλυσης, σχεδιασμού και βελτιστοποίησης στον σχεδιασμό ενός αγωνιστικού πατώματος για το μοντέλο αυτοκινήτου DrivAer. Οι αλλαγές στο πάτωμα έγιναν σύμφωνα με τους κανονισμούς Le Mans Grand Touring Endurance, που οριοθετούν, μεταξύ άλλων, και τη γεωμετρία του πατώματος. Στόχος είναι η αύξηση της κάθετης αεροδυναμικής δύναμης που δημιουργείται από το σώμα του οχήματος. Παρά το γεγονός πως το μοντέλο DrivAer δεν ενδείκνυται για απ’ ευθείας χρήση στον μηχανοκίνητο αθλητισμό, επιλέχθηκε για την εν λόγω ανάλυση καθώς πρόκειται για μία εξαιρετικά λεπτομερή διαθέσιμη γεωμετρία αυτοκινήτου στην οποία έχουν γίνει ελάχιστες μελέτες για την αύξηση της κάθετης δύναμης. Επίσης, ήταν επιθυμητή η εξέταση του κατά πόσο ένα απλό επιβατηγό όχημα δύναται να πληροί αγωνιστικές προδιαγραφές. Αρχικά, δημιουργήθηκε η νέα γεωμετρία του πατώματος σε λογισμικό CAD. Το πάτωμα δημιουργήθηκε σε συμφωνία με την αρχική γεωμετρία ακολουθώντας υπάρχουσες καμπύλες στο μοντέλο DrivAer, το οποίο αποτελείται από αρχεία επιφανειακής γεωμετρίας. Στο μοντέλο προστέθηκαν ένας εμπρός επίπεδος splitter, ένας διάχυτης στο πίσω μέρος και ένα τελείως επίπεδο (πλην της περιοχής του διαχύτη) πάτωμα. Καθώς το λογισμικό CAD δεν αναγνώριζε τα σημεία επαφής μεταξύ των διαφόρων τμημάτων που απαρτίζουν τη συνολική γεωμετρία του αυτοκινήτου, το εξαγόμενο από το λογισμικό CAD συνολικό μοντέλο δεν ήταν συνεχές, αλλά είχε οπές. Έγινε απόπειρα κάλυψης των οπών με τη βοήθεια των λογισμικών MeshLab και Blender, αλλά η γεωμετρία ήταν υπερβολικά περίπλοκη και μη-διαχειρίσιμη. Η λύση που υιοθετήθηκε ήταν να εισαχθούν στον πλεγματοποιητή τα πρωτότυπα τμήματα του μοντέλου, μαζί με ένα νέο αρχείο που περιείχε μόνο τις νέες διαμορφώσεις, έτσι ώστε να αναγνωρίσει ο πλεγματοποιητής τα σημεία επαφής μεταξύ των διαφόρων τμημάτων. Στη συνέχεια, δημιουργήθηκε το πλέγμα, κυρίως με το εργαλείο snappyHexMesh στο OpenFOAM. Δημιουργήθηκαν επίσης δύο περιοχές αυξημένης ανάλυσης πλέγματος, μία μόνο για τη γεωμετρία του οχήματος και μία για τη γεωμετρία του οχήματος μαζί με τον ομόρρου. Επίσης, δημιουργήθηκε περιοχή αυξημένης ανάλυσης πλησίον του δρόμου. Το τελικό μη-δομημένο πλέγμα αποτελείται από περίπου 5 εκατομμύρια κελιά για το ήμισυ όχημα μιας και, λόγω συμμετρίας, το πλέγμα δημιουργήθηκε γύρω από το δεξί ήμισυ του οχήματος. Μετά τη δημιουργία του πλέγματος, προσομοιώθηκε η αεροδυναμική ροή γύρω από το όχημα. Ο αλγόριθμος που επιλέχθηκε για την επίλυση είναι ο SIMPLE στο περιβάλλον OpenFOAM. Ως μοντέλο τύρβης επιλέχθηκε το Spalart-Allmaras. Επιλέχθηκε οι τροχοί και ο δρόμος να είναι ακίνητοι, και ο αριθμός Reynolds της ροής είναι 6.7 εκατομμύρια. Για λόγους σύγκρισης, προσομοιώθηκε και η αρχική γεωμετρία του DrivAer. Στην εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης αυτής καθώς και η σύγκρισή τους με την προσομοίωση του αρχικού DrivAer. Επιπρόσθετα, επιλύθηκαν οι συζυγείς εξισώσεις ροής προς υπολογισμό των παραγώγων ευαισθησίας της αντικειμενικής συνάρτησης, δηλαδή της κάθετης δύναμης, ξανά σε περιβάλλον OpenFOAM. Οι παράγωγοι ευαισθησίας δημιουργούν τον χάρτη ευαισθησίας στην επιφάνεια του αυτοκινήτου, ο οποίος υποδεικνύει τις πρέπουσες μετακινήσεις της επιφάνειας για βελτίωση της τιμής της αντικειμενικής συνάρτησης. Το λογισμικό της βελτιστοποίησης με τη συνεχή συζυγή μέθοδο στο περιβάλλον του OpenFOAM αναπτύχθηκε στη ΜΠΥΡ&Β του ΕΜΠ. Με την πληροφορία του χάρτη ευαισθησίας, τροποποιήθηκε η γεωμετρία του πατώματος, αφού πρώτα περιγράφηκε παραμετρικά με χρήση ογκομετρικών καμπύλων b-splines. Σημειώνεται πως εδώ, ο χάρτης ευαισθησίας υπολογίσθηκε συναρτήσει της μετατόπισης των σημείων ελέγχου των b-splines που την παραμετροποιούν. Το λογισμικό που τροποποιεί την γεωμετρία αναπτύχθηκε και αυτό στη ΜΠΥΡ&Β του ΕΜΠ. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με την αρχική και τροποποιημένη γεωμετρία. Οι μετατροπές στο πάτωμα βελτίωσαν την αεροδυναμική απόδοση του οχήματος, με επιπλέον μικρότερες βελτιώσεις να απορρέουν από τη βελτιστοποίησή τους μέσω της συνεχούς συζυγούς μεθόδου.	el
heal.abstract	The aim of this Diploma Thesis is the application of aerodynamic analysis and optimization tools to the design of a racing underfloor for the DrivAer car model. The underfloor modifications were made in accordance to the Le Mans Grand Touring Endurance regulations, that limit, among others, the underfloor geometry. The goal was to increase the downforce. Although the DrivAer model does not suit for direct use in motorsport, it was chosen for this analysis since it is a very refined, available car geometry and very few studies for the increase of downforce have been performed on this model. An additional objective is to investigate whether a simple passenger vehicle is able to satisfy motorsport requirements was desirable. Initially, the new underfloor geometry was designed using in a CAD software. The underfloor was designed in concordance with the original geometry, following existing curves on the surface of the DrivAer model. A flat front splitter and a finless rear diffuser were added to the model, along with a flat underfloor. Since the CAD software failed to recognise the merging points of the discrete parts that create the total vehicle geometry, the exported total model was not continuous, having non-manifold edges. A covering of the non manifold edges was attempted using in various ways, however the geometry was far too complex and non-manageable. The adopted solution was the import of the original geometry parts in the mesh generation software, along with a part containing solely the new underfloor, so that the recognition of the merging points was done by the more accurate mesh generator. After the geometry had been inserted in the mesh generation software, the mesh was generated using primarily the snappyHexMesh tool in the OpenFOAM environment. Two refinement spaces were defined, one solely for the vehicle geometry and one for both the vehicle geometry and the vehicle wake. The space in close proximity to the road was also refined. The resulting unstructured mesh was comprised of approximately 5 million cells for the half of the vehicle, profiting from the symmetry of the case. After the mesh generation, the air flow around the vehicle was simulated. The algorithm chosen for this simulation is the SIMPLE, in the OpenFOAM environment. The turbulence model selected was the Spalart—Allmaras. The wheels were non rotating, and the Reynolds number was 6.7 million. In order to compare the results with the performance of the original geometry, the original DrivAer model was also aerodynamically simulated for the same conditions. In this Diploma Thesis, the results of the modified DrivAer simulations are presented, along with comparisons with the original DrivAer. In addition, the continuous adjoint problem was solved, in order to compute the sensitivity derivatives of the objective function, that is the downforce, again in the OpenFOAM environment. The sensitivity derivatives are presented the sensitivity map on the vehicle surface, which indicates possible modifications of the surface to improve the objective function. The adjoint optimization software incorporated in OpenFOAM was developed by the PCOpt Unit of the NTUA. With the information of the sensitivity map, the geometry of the underfloor was parameterized using volumetric b-splines and was modified accordingly. It is noted that here, the sensitivity derivatives are computed with respect to the displacement of each control point of the volumetric b-splines. The software for the optimization was also developed by the PCOpt Unit of the NTUA. Results the original and modified geometries are compared. The proposed modifications improved the aerodynamic performance of the vehicle, with a relatively slight further improvement coming from the adjoint-based optimization loop.	en
heal.advisorName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδακης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	117 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true