HEAL DSpace

The Continuous Adjoint Method in Aerodynamic and Conjugate Heat Transfer Shape Optimization, for Turbulent Flows

Αποθετήριο DSpace/Manakin

Εμφάνιση απλής εγγραφής

dc.contributor.author Γκαραγκούνης, Κωνσταντίνος el
dc.contributor.author Gkaragkounis, Konstantinos en
dc.date.accessioned 2020-12-01T12:44:24Z
dc.date.available 2020-12-01T12:44:24Z
dc.date.issued 2020-12-01
dc.identifier.uri https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/52133
dc.identifier.uri http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19831
dc.description.abstract The goal of this PhD thesis is to further develop continuous adjoint-based shape optimization methods of high accuracy and low computational cost, able to deal with one- (fluid mechanics) or many-discipline problems (two disciplines: Conjugate Heat Transfer, CHT). In addition, adjoint-based methods for tracing the Pareto front in multi-objective optimization are proposed and assessed. Finally, gradient-based methods for the analysis and optimization under uncertainties in CHT problems, based on the intrusive variant of the Polynomial Chaos Expansion method are developed, programmed and applied. To facilitate the above methods, continuous adjoint methods, developed in previous PhD theses for incompress- ible fluid flows [174, 125, 70] and successfully applied in industrial aero- and hydrodynamic shape optimizations, are enriched and extended. This PhD thesis is structured along the following four axes: The first axis is about the proper treatment of grid sensitivities i.e. grid nodes variations w.r.t. the design variables, when developing the continuous adjoint method. Internal grid displacement was initially considered in the computa- tion of sensitivity derivatives (SDs) in which grid sensitivities appear within Field Integrals; this method is abbreviated as the FI adjoint. The computation of the grid sensitivities in the interior of the domain requires as many grid displace- ments as the number of the design variables. To avoid this costly computation, in [70], the first continuous adjoint method involving the formulation and so- lution of adjoint grid displacement equations was presented. The so-computed SDs consisted solely of Surface Integrals and, thus, this method is abbreviated as the E-SI (Enhanced-SI) adjoint. ‘‘Enhanced’’ is used to distinguish this method from frequently used adjoint formulations also leading to SDs with surface in- tegrals, in which the corresponding terms are omitted (Severed SI adjoint). In [70], to derive the E-SI adjoint, grid displacement was assumed to be governed by Laplace PDEs, since this was convenient for developing the adjoint method to the grid displacement model (GDM). In this PhD thesis, this assumption is assessed, by taking into account that, in many cases, GDMs other than Laplace PDEs are used. Comparisons between SDs computed for commonly used GDMs (volumetric B-Splines, Delaunay Graph, Inverse Distance Weighting) and the Laplace PDEs conclude that the choice of the GDM has negligible effect on the SDs. This is a relieving finding since there is no need to reformulate the E-SI adjoint, if different GDMs are in use. The second axis of this thesis concerns the extension of the E-SI and FI con- tinuous adjoint methods, developed in previously completed PhD theses in the PCOpt/NTUA for pure flow problems by considering eddy viscosity variations, to CHT problems. In the latter, except for the fluid flow, the energy equation in the fluid and the heat conduction in the solid, are simulated by also accounting for interactions along their interface. To derive the adjoint method in an exact way, the turbulence model PDEs (in this thesis the Spalart–Allmaras is used) are differen- tiated. Through numerical investigations, it is recorfirmed also in CHT problems that the ‘‘frozen turbulence’’ assumption, i.e. any approach that neglects the eddy viscosity variation, during the formulation of the adjoint equations, mitigates the accuracy of SDs. In addition, the proper treatment of grid sensitivities is extended to CHT problems as well. Laplace PDEs are assumed to govern the internal grid displacement of the fluid and solid grids. Adjoint grid displacement equations are derived for the solid domain and those for the fluid, acquired for pure fluid flows, are extended by terms emanating from the differentiation of the fluid energy equa- tion. A comparison between the E-SI and FI methods reconfirm the computational gain from the use of the E-SI adjoint, this time in CHT problems. Also, it is shown that neglecting the internal grid displacement, by using the Severed SI method, damages the SDs accuracy in CHT problems. Studies similar to those performed for pure fluid flows demonstrate that, the choice of the GDM has negligible effect on the SDs, in CHT problems too. In the third axis of this thesis, adjoint methods for pure fluid flows and CHT problems are used to assist gradient-based methods tracing the front of non- dominated solutions, a.k.a. the Pareto front, in multi-objective optimization prob- lems. In this PhD thesis, a prediction-correction algorithm (in some variants) trac- ing the Pareto front is developed. The prediction-correction variants are initialized by a point on the front, obtained by carrying out a single objective optimization for one of the objectives only. In the prediction and correction steps, different systems of equations are derived by treating the Karush-Kuhn-Tucker optimality conditions in two different ways. The costly computation of the exact Hessian matrix of the objective functions, which appear in the equations solved to update the design variables, is avoided. Instead, two alternative approaches are used: (a) the computation of Hessian-vector products driving a Krylov subspace solver and (b) the approximation of the Hessian via the BFGS method. To compute Hessian- vector products at the lowest cost possible, new systems of equations are derived by applying the Direct Differentiation method on the primal and adjoint PDEs. Between the two approaches, the one approximating the Hessian matrices in the prediction step is shown to be the less expensive. It is also demonstrated that omitting the prediction step increases the cost of tracing the Pareto front. Further comparisons of the less expensive prediction-correction variant and weighted-sum approaches for computing Pareto fronts demonstrate the superiority of the former in terms of computational cost. The last axis of this thesis regards shape optimizations with the presence of environmental and manufacturing uncertainties for CHT problems, based on the intrusive Polynomial Chaos Expansion (iPCE). Primal fields in the correspond- ing equations and boundary conditions for a single operation point (deterministic equations) are expanded by using weighted sums of orthogonal polynomials for chaos order equal to 2. Adjoint equations are then derived by differentiating the iPCE primal PDEs. The new systems of equations are solved to compute statistical moments and their derivatives at low cost. To verify the accuracy of the computed moments, comparisons are made between the iPCE method and more computa- tionally expensive ones, such as the non-intrusive PCE (niPCE) and Monte Carlo. Problems, in which uncertainties are related to the flow boundary conditions along the inlet of the fluid domain and the insulation thickness between fluids and solids, are investigated. These uncertainties are considered by performing expansions of the inlet and Fluid-Solid Interface conditions, leading to new con- ditions for the PCE coefficients. Case studies regarding both pure fluid flow and CHT problems, are presented. Developed methods are first validated/tested in 2D problems with pure fluid flows around isolated airfoils or inside ducts and CHT problems with a duct attached to a solid body. Regarding pure fluid flow problems, multi-objective optimizations for isolated airfoils, with contradictory goals being the exerted lift and drag forces, are performed. Regarding CHT problems, an internally cooled turbine cascade vane is optimized targeting min. mean solid temperature. To do so, its contour shape and the positions of the internal cooling holes are modified. The shape of the 2D cooling channel is also optimized for min. total pressure losses subjected to constraints which prevent the solid body from overheating. In addition, the cooling efficiency of a 3D internal cooling system is optimized. The cooling channel is redesigned for two different objective functions: the heat flux absorbed by the coolant and the part of the solid body volume with the highest temperature values. Moreover, shape optimizations are performed for a car-engine cylinder head. The internal cooling channel immersed in the engine block is redesigned for two different targets: min. max. solid temperature values and min. total pressure losses in the coolant. Finally, a multi-objective optimization is performed in a case in which cooling fins are attached to a heated solid body. In specific, a Pareto front is computed, with the same objective functions as in the optimization of the car engine cylinder-head. The necessary software has been programmed in the open-source CFD toolbox OpenFOAM © , which provides a cell-centered, collocated, finite-volume infrastruc- ture for discretizing PDEs and solving linearized systems of equations. The research work was supported by the Hellenic Foundation for Research and Innovation (HFRI) and the General Secretariat for Research and Technology (GSRT), under the HFRI PhD Fellowship grant (GA.no. 1796). en
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 Συζευγμένη Μεταφορά Θερμότητας el
dc.subject Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση el
dc.subject Συνεχής Συζυγής Μέθοδος el
dc.subject Συζυγές Μοντέλο Τύρβης el
dc.subject Παράγωγοι Ευαισθησίας Πλέγματος el
dc.subject Conjugate Heat Transfer en
dc.subject Aerodynamic Optimization en
dc.subject Continuous Adjoint Method en
dc.subject Adjoint Turbulence Model en
dc.subject Grid Sensitivities en
dc.title The Continuous Adjoint Method in Aerodynamic and Conjugate Heat Transfer Shape Optimization, for Turbulent Flows en
dc.title.alternative Η Συνεχής Συζυγής Μέθοδος για τη Βελτιστοποίηση Μορφής στην Αεροδυναμική και τη Συζευγμένη Μεταφορά Θερμότητας, με Τυρβώδεις Ροές el
dc.contributor.department Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών el
heal.type doctoralThesis
heal.generalDescription Κείμενο στα Αγγλικά και Ελληνική Περίληψη el
heal.classification Aerodynamic Optimization en
heal.classification Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση el
heal.language en
heal.access free
heal.recordProvider ntua el
heal.publicationDate 2020-09-01
heal.abstract Η διδακτορική διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη, προγραμματισμό και πιστο- ποίηση μεθόδων βελτιστοποίησης μορφής (shape optimization) οι οποίες χαρακτη- ρίζονται από υψηλή ακρίβεια και χαμηλό υπολογιστικό κόστος και στηρίζονται στη συνεχή συζυγή μέθοδο (continuous adjoint method). Οι μέθοδοι που αναπτύσσο- νται αντιμετωπίζουν προβλήματα είτε (μόνο) ροής ρευστού είτε συζευγμένης μεταφο- ράς θερμότητας (Conjugate Heat Transfer, CHT). Επιπλέον, διερευνώνται μέθοδοι υπολογισμού του μετώπου μη-κυριαρχούμενων λύσεων (Pareto) σε προβλήματα πο- λυκριτηριακής βελτιστοποίησης, οι οποίες βασίζονται στην κλίση των συναρτήσεων- στόχου. Τέλος, αναπτύσσεται η επεμβατική μέθοδος αναπτύγματος πολυωνυ μ ικού χάους (intrusive Polynomial Chaos Expansion, iPCE) για προβλήματα βελτιστοπο- ίησης CHT με αβεβαιότητες. Προκειμένου να διαμορφωθούν οι προαναφερθείσες μέθοδοι, επεκτάθηκαν και εμπλουτίστηκαν συζυγείς μέθοδοι που είχαν παρουσια- στεί σε προηγούμενες διδακτορικές διατριβές στην ΜΠΥΡ&Β ΕΜΠ [50, 40, 27] και είχαν επιτυχώς εφαρμοστεί σε προβλήματα αεροδυναμικής και υδροδυναμικής βελ- τιστοποίησης μορφής. Η διδακτορική διατριβή κινείται σε τέσσερις άξονες : Ο πρώτος άξονας της διατριβής αφορά στη διαχείριση των παραγώγων ευαισθη- σίας πλέγματος, δηλαδή των παραγώγων της θέσης των κόμβων του πλέγματος ως προς τις μεταβλητές σχεδιασμού, στη συνεχή συζυγή μέθοδο (Κεφάλαιο 5). Μέχρι τώρα, οι μετατοπίσεις των εσωτερικών κόμβων του πλέγματος λαμβανόταν υπόψη κατά στην κλίση της συνάρτησης-στόχου, στις οποίες εμφανίζονται οι παράγωγοι ευαισθησίας πλέγματος μέσα σε Χωρικά Ολοκληρώματα (Field Integrals - συζυγής διατύπωση FI). Ο υπολογισμός των παραγώγων ευαισθησίας πλέγματος στο εσωτερι- κό του χωρίου έχει κόστος ίσο με τη μετατόπιση του πλέγματος τόσες φορές όσες είναι και οι μεταβλητές σχεδιασμού. Αποφεύγεται δε διατυπώνοντας το συζυγές πρόβλημα του μοντέλου μετατόπισης πλέγματος [27]. ́Ετσι προκύπτουν παράγωγοι που απο- τελούνται μόνο από επιφανειακά ολοκληρώματα και η μέθοδος ονομάζεται συζυγής διατύπωση E-SI (Enhanced Surface Integrals). Με τον όρο ‘Enhanced’ διαφορο- ποιείται από προγενέστερές της στις οποίες η μετατόπιση των εσωτερικών κόμβων του πλέγματος δεν λαμβάνεται υπόψη (Severed SI). Η ανάπτυξη της μεθόδου E-SI βασίστηκε στην υπόθεση ότι τη μετατόπιση των κόμβων του πλέγματος διέπουν ε- ξισώσεις Laplace. Εδώ εξετάζεται, εάν αυτή η παραδοχή είναι ασφαλής ακόμα και όταν χρησιμοποιούνται διαφορετικά μοντέλα μετατόπισης πλέγματος. Συγκρίνονται παράγωγοι που υπολογίζονται με βάση άλλα, ευρέως διαδεδομένα, μοντέλα μετα- τόπισης (ογκομετρικές B-Splines, Γράφοι Delaunay, μέθοδος Inverse Distance W- eighting), δείχνοντας ότι το είδος του μοντέλου μετατόπισης δεν επιδρά στις τιμές των παραγώγων. Συνεπώς, δεν απαιτείται η ανάπτυξη της συνεχούς συζυγούς δια- τύπωσης E-SI εξαρχής, κάθε φορά που αλλάζει το μοντέλο μετατόπισης πλέγματος το οποίο υποστηρίζει μεθόδους βελτιστοποίησης μορφής. Στον δεύτερο άξονα της διατριβής επεκτείνονται οι συζυγείς διατυπώσεις E-SI και FI (παρουσιάζονται στο Κεφάλαιο 2) που είχαν αναπτυχθεί σε προηγούμενες διδακτορικές διατριβές στην ΜΠΥΡ&Β ΕΜΠ για προβλήματα μόνο ροής, σε προβλήματα CHT (Κεφάλαιο 3). Ο υπολογισμός παραγώγων με ακρίβεια εξασφαλίζεται μέσω της διαφόρισης του μοντέλου τύρβης, που στη διατριβή αυτή είναι το Spalart–Allmaras. Στα προβλήματα CHT, εκτός από τις εξισώσεις συνέχειας, ορμής και μοντέλου τύρ- βης, επιλύονται η ενεργειακή εξίσωση στο ρευστό και η εξίσωση αγωγής της θερ- μότητας στο στερεό, λαμβάνοντας υπόψη και τη συναλλαγή θερμότητας μέσω της διεπιφάνειας ρευστού-στερεού. Επιβεβαιώθηκε ότι, και σε προβλήματα CHT μει- ώνεται η ακρίβεια των παραγώγων, όταν υιοθετείται η παραδοχή της ‘παγωμένης τύρβης’, με την οποία θεωρείται αμελητέα η εξάρτηση της τυρβώδους συνεκτικότητας από τις μεταβλητές σχεδιασμού. Επιπλέον, επεκτείνεται η κατάλληλη διαχείριση των παραγώγων ευαισθησίας πλέγματος σε προβλήματα CHT διατυπώνοντας συζυγείς εξισώσεις μετατόπισης για το στερεό πέρα από το ρευστό. Συγκρίσεις ανάμεσα στις μεθόδους FI και E-SI επιβεβαιώνουν ότι και σε προβλήματα CHT η δεύτερη μέθο- δος είναι οικονομικότερη. Επίσης, ο υπολογισμός παραγώγων μέσω της διατύπωσης (Severed) SI συχνά βλάπτει την ακρίβεια των παραγώγων. Τέλος, και σε προβλήματα CHT είναι αμελητέα η επίδραση της επιλογής του μοντέλου μετατόπισης πλέγματος στις παραγώγους. Στον τρίτο άξονα της διατριβής, παραλλαγές ενός αλγορίθμου πρόβλεψης-διόρθωσης οι οποίες βασίζονται στη συζυγή μέθοδο, υπολογίζουν το μέτωπο Pareto για προ- βλήματα πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης (Κεφάλαιο 6) . Οι παραλλαγές του αλ- γορίθμου πρόβλεψης-διόρθωσης αρχικοποιούνται εντοπίζοντας ένα σημείο του με- τώπου Pareto μέσω βελτιστοποίησης για μία μόνο από τις αντικρουόμενες συναρτήσεις- στόχους. Στα συστήματα, για την ανανέωση των μεταβλητών σχεδιασμού, στα βήματα πρόβλεψης και διόρθωσης, αποφεύγεται ο ακριβός υπολογισμός του ακριβούς Εσ- σιανού μητρώου των συναρτήσεων-στόχου, είτε με : (α) τον υπολογισμό γινομένων Εσσιανού-διανυσμάτων, που χρησιμοποιούνται σε έναν αλγόριθμο επίλυσης εξι- σώσεων τύπου Krylov είτε με (β) την προσέγγιση του Εσσιανού μητρώου μέσω της μεθόδου BFGS. Προκειμένου να υπολογιστούν οικονομικά τα γινόμενα Εσσιανού- διανυσ μ άτων, διατυπώνονται νέες εξισώσεις μ έσω της Ευθείας ∆ ιαφόρισης των πρω- τευουσών και συζυγών εξισώσεων. Συγκρίνοντας τις δύο εναλλακτικές, αυτή που προσεγγίζει το Εσσιανό μ ητρώο στο βήμα πρόβλεψης έχει το χαμηλότερο κόστος ενώ δείχνεται ότι η παράλειψη του βήματος πρόβλεψης οδηγεί στην αύξηση του υ- πολογιστικού κόστους. Περαιτέρω συγκρίσεις κόστους μεταξύ του πιο οικονομικού αλγορίθμου πρόβλεψης-διόρθωσης και μεθόδων βελτιστοποίησης μ ε χρήση βαρών δείχνουν την υπεροχή της πρώτης μεθόδου. Ο τελευταίος άξονας αφορά στη βελτιστοποίηση μορφής σε προβλήματα CHT με αβεβαιότητες, με τη μέθοδο iPCE (Κεφάλαιο 7). Εξετάζονται προβλήματα με δύο αβέβαιες μεταβλητές που ακολουθούν κανονική κατανομή. Οι μεταβλητές στις πρω- τεύουσες και συζυγείς εξισώσεις χωρίς αβεβαιότητες και οι αντίστοιχες οριακές συν- θήκες αναλύονται σε γρα μμ ικούς συνδυασμούς ορθογωνίων πολυωνύμων για τάξη χάους ίση με δύο. Προκύπτουν νέα συστήματα εξισώσεων, που επιλύονται για να υ- πολογιστούν οι στατιστικές ροπές και οι παράγωγοί τους. Η ακρίβεια των στατιστικών ροπών, που προσεγγίζονται με τη μέθοδο iPCE, πιστοποιείται χρησιμοποιώντας πιο κοστοβόρες μεθόδους, τη μη-επε μ βατική μέθοδο PCE (non-intrusive PCE-niPCE) και τη Monte Carlo. Επιπλέον, λαμβάνουν χώρα βελτιστοποιήσεις μορφής με αβε- βαιότητες στις συνθήκες εισόδου του ρευστού και το πάχος θερμικής μόνωσης στη διεπιφάνεια ρευστού-στερεού. Οι προαναφερθείσες μέθοδοι πιστοποιούνται αρχικά σε 2 ∆ προβλήματα μόνο ροής, για ροές γύρω από αεροτομές και μέσα σε αγωγούς σχήματος ‘S’ και σε προ- βλήματα CHT με αγωγό σχήματος ‘S’ σε επαφή με στερεό. Σε προβλήματα ροής γύρω από αεροτομές υπολογίζονται μέτωπα Pareto για αντικρουόμενους στόχους την άνωση και την αεροδυναμική αντίσταση. Σε πρόβλημα CHT για ένα εσωτερικά ψυχό μ ενα 2 ∆ πτερύγια σταθερής πτερύγωσης στροβίλου, ελαχιστοποιείται η μέση θερμοκρασία του, μεταβάλλοντας το σχήμα του και τις θέσεις των οπών εσωτερικής ψύξης. Επίσης, βελτιστοποιείται 2 ∆ αγωγός σε επαφή με στερεό, για ελάχιστες α- πώλειες ολικής πίεσης του ρευστού, επιβάλλοντας περιορισμούς που αποτρέπουν την υπερθέρμανση του στερεού. Επιπλέον, πραγματοποιούνται βελτιστοποιήσεις σε αγωγό ψύξης μέσα σε στερεό, θέτοντας ως στόχους τη μεγιστοποίηση της θερ μ ορροής από το στερεό προς το ψυκτικό και την ελαχιστοποίηση του ποσοστού του όγκου του στερεού με υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης, βελτιστοποιείται ο αγωγός ψύξης κυλιν- δροκεφαλής σε μηχανή εσωτερικής καύσης ενός αυτοκινήτου, με δύο διαφορετικούς στόχους : (α) ελάχιστες μέγιστες θερμοκρασίες της κυλινδροκεφαλής και (β) ελάχι- στες απώλειες ολικής πίεσης στο ψυκτικό. Τέλος, υπολογίζεται μέτωπο Pareto σε πτερύγια ψύξης, με τις δύο προαναφερθείσες συναρτήσεις ως τους δύο στόχους. Οι προαναφερθείσες μέθοδοι προγραμματίστηκαν στο περιβάλλον ανοιχτού κώδι- κα OpenFOAM © , το οποίο παρέχει υποδομή που βασίζεται στην κεντροκυψελική διατύπωση πεπερασμένων όγκων. Η ερευνητική εργασία υποστηρίχτηκε από το Ελληνικό ́Ιδρυμα ́Ερευνας και Καινοτομίας (ΕΛ.Ι∆.Ε.Κ.) και από τη Γενική Γραμματεία ́Ερευνας και Τεχνολο- γίας (ΓΓΕΤ), στο πλαίσιο της ∆ράσης «Υποτροφίες ΕΛΙ∆ΕΚ Υποψηφίων ∆ιδακτόρων» (αρ.Σύμβασης 1796). el
heal.sponsor The research work was supported by the Hellenic Foundation for Research and Innovation (HFRI) and the General Secretariat for Research and Technology (GSRT), under the HFRI PhD Fellowship grant (GA.no. 1796). en
heal.sponsor Η ερευνητική εργασία υποστηρίχτηκε από το Ελληνικό ́Ιδρυμα ́Ερευνας και Καινοτομίας (ΕΛ.Ι∆.Ε.Κ.) και από τη Γενική Γραμματεία ́Ερευνας και Τεχνολογίας (ΓΓΕΤ), στο πλαίσιο της ∆ράσης «Υποτροφίες ΕΛΙ∆ΕΚ Υποψηφίων ∆ιδακτόρων» (αρ.Σύμβασης 1796). el
heal.advisorName Γιαννάκογλου, Κυριάκος el
heal.advisorName Giannakoglou, Kyriakos en
heal.committeeMemberName Γιαννάκογλου, Κυριάκος el
heal.committeeMemberName Βουτσινάς, Σπύρος el
heal.committeeMemberName Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος el
heal.committeeMemberName Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης el
heal.committeeMemberName Καϊκτσής, Λάμπρος el
heal.committeeMemberName Μπελιμπασάκης, Κωνσταντίνος el
heal.committeeMemberName Ριζιώτης, Βασίλης el
heal.academicPublisher Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών el
heal.academicPublisherID ntua
heal.numberOfPages 285 σ. el
heal.fullTextAvailability false


Αρχεία σε αυτό το τεκμήριο

Οι παρακάτω άδειες σχετίζονται με αυτό το τεκμήριο:

Αυτό το τεκμήριο εμφανίζεται στην ακόλουθη συλλογή(ές)

Εμφάνιση απλής εγγραφής

Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα Εκτός από όπου ορίζεται κάτι διαφορετικό, αυτή η άδεια περιγράφεται ως Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα