Τεχνικές Κίνησης Άκαμπτων Σωμάτων στη Μετακίνηση Πλέγματος και την Παραμετροποίηση Μορφών χωρίς χρήση CAD, στην Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση

Λιατσικούρας, Αθανάσιος Γ.; Liatsikouras, Athanasios G.

dc.contributor.author	Λιατσικούρας, Αθανάσιος Γ.	el
dc.contributor.author	Liatsikouras, Athanasios G.	en
dc.date.accessioned	2024-02-06T09:53:26Z
dc.date.available	2024-02-06T09:53:26Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/58788
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.26484
dc.relation	Marie Skłodowska-Curie Grant Agreement No. 642959	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Μετατόπιση Πλέγματος	el
dc.subject	Κίνηση Άκαμπτων Σωμάτων	el
dc.subject	Παραμετροποίηση Μορφής	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση Μορφής	el
dc.subject	Βελτιστοποίηση Υπό Αβεβαιότητες	el
dc.subject	Mesh Displacement	en
dc.subject	Rigid Motion	el
dc.subject	Shape Parameterization	el
dc.subject	Shape Optimization	el
dc.subject	Optimization Under Uncertainties	el
dc.title	Τεχνικές Κίνησης Άκαμπτων Σωμάτων στη Μετακίνηση Πλέγματος και την Παραμετροποίηση Μορφών χωρίς χρήση CAD, στην Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση	el
dc.title	Rigid Body Motion Techniques in Grid Displacement and CAD-Free Shape Parameterization, in Aerodynamic Optimization	en
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Μηχανική των Ρευστών	el
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2023
heal.abstract	Η βελτιστοποίηση μορφής στη μηχανική των ρευστών είναι θέμα αιχμής τόσο για τον ακαδημαϊκό όσο και τον βιομηχανικό κλάδο. Οι βασικές συνιστώσες ενός αυτοματοποιημένου βρόχου βελτιστοποίησης μορφής στη μηχανική των ρευστών είναι η μέθοδος παραμετροποίησης της επιφάνειας που σχεδιάζεται (οι συντεταγμένες των σημείων ελέγχου της οποίας λειτουργούν ως μεταβλητές σχεδιασμού), ο επιλύτης της ροής (κώδικας Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής), μια μέθοδος βελτιστοποίησης ικανή να εντοπίσει τις βέλτιστες τιμές των μεταβλητών σχεδιασμού και μια μέθοδος προσαρμογής του πλέγματος στη νέα γεωμετρία που προκύπτει σε κάθε βήμα της βελτιστοποίησης. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός αξιόπιστου και αυτοματοποιημένου βρόχου βελτιστοποίησης χωρίς την εμπλοκή λογισμικού CAD, για 2Δ και 3Δ εφαρμογές. Σε αυτό το πλαίσιο, μία πρώτη ουσιαστική συμβολή αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η βελτίωση και επέκταση μιας μεθόδου μετατόπισης πλέγματος (Rigid Motion Mesh Morpher ή R3M). Η μέθοδος αυτή χειρίζεται νέφη σημείων και υπολογίζει το πεδίο μετατόπισης του πλέγματος. Το ότι δεν απαιτείται η συνδεσιμότητα του πλέγματος την καθιστά εφαρμόσιμη σε οποιοδήποτε τύπο πλέγματος. Δεδομένα της μεθόδου είναι οι μετατοπίσεις των οριακών κόμβων του πλέγματος, που ανήκουν στις επιφάνειες προς βελτιστοποίηση. Στη συνέχεια, όλοι οι κόμβοι του πλέγματος (συμπεριλαμβανομένων των οριακών) ομαδοποιούνται με κριτήρια γειτνίασης και μπορούν να μετατοπίζονται μαζί με τρόπο ο οποίος είναι όσο πιο κοντά γίνεται στην άκαμπτη κίνηση. Η μετρική προς ελαχιστοποίηση είναι γραμμική ως προς τους αγνώστους του προβλήματος και αρκεί η λύση ενός γραμμικού συστήματος για τον υπολογισμό της μετατόπισης των εσωτερικών κόμβων. Ο υπολογισμός της άκαμπτης κίνησης υπολογίζεται με τη βοήθεια της θεωρίας απειροελάχιστων περιστροφών και ως εκ τούτου, η συνολική μετατόπιση των οριακών κόμβων είναι αναγκαίο να υποδιαιρεθεί σε βηματικές μετατοπίσεις. Η διατριβή ασχολείται με τη μείωση του υπολογιστικού κόστους και της απαιτούμενης μνήμης του λογισμικού μετατόπισης πλέγματος. Παρότι στη μέθοδο R3M επιτυγχάνεται σημαντική μείωση του κόστους CPU και των απαιτήσεων μνήμης, η κατά περίπτωση ανάγκη υποδιαίρεσης της συνολικής μετατόπισης σε βηματικές επιβραδύνει τη συνολική διαδικασία βελτιστοποίησης μορφής, ειδικά σε προβλήματα με μεγάλα πλέγματα. Για τον σκοπό αυτό, αναπτύχθηκε η μη-γραμμική παραλλαγή του R3M, δηλαδή ο Finite Transformation-R3M ή FT-R3M ο οποίος είναι σε θέση να χειριστεί ακραίες αλλαγές της γεωμετρίας διατηρώντας ικανοποιητική ποιότητα πλέγματος. Στη μέθοδο αυτή, η μετρική προς ελαχιστοποίηση είναι μη-γραμμική ως προς τις άγνωστες μετατοπίσεις, παρουσιάζοντας πολλά πλεονεκτήματα σε αντίθεση με τον R3M. Η προηγηθείσα ανάπτυξη του R3M χρησιμοποιείται ως βάση για τον FT-R3M. Δεν χρειάζεται πλέον ο κατακερματισμός των μετατοπίσεων του ορίου, καθώς ο FT-R3M μπορεί να μετατοπίσει το πλέγμα από την αρχική στην τελική κατάσταση σε ένα μόνο βήμα. Ο FT-R3M αποδεικνύεται αποτελεσματικότερος και ταχύτερος του R3M και η ποιότητα του μετατοπισμένου πλέγματος είναι καλύτερη. Η χρήση ενός εργαλείου μετατόπισης πλέγματος σε έναν βρόχο βελτιστοποίησης μορφής στη μηχανική των ρευστών απαιτεί την παραμετροποίηση της επιφάνειας. Οι βέλτιστες τιμές των μεταβλητών σχεδιασμού που καθορίζει η παραμετροποίηση υπολογίζονται με αιτιοκρατικές ή στοχαστικές μεθόδους βελτιστοποίησης. Στη διατριβή αυτή, αναπτύσσεται ένα εργαλείο παραμετροποίησης μορφής βασισμένο σε “χειριστήρια” το οποίο αναλαμβάνει τις αλλαγές μορφής και την εξάλειψη του αριθμητικού θορύβου κατά τον υπολογισμό της κλίσης της συνάρτησης κόστους, ο οποίος μπορεί να είναι αιτία μη-αποδεκτών ή και μη-κατασκευάσιμων μορφών. Ως “χειριστήρια” επιλέγεται ένα υποσύνολο των επιφανειακών κόμβων, ενώ ο FT-R3M αναλαμβάνει την προσαρμογή των εσωτερικών κόμβων του πλέγματος στις αλλαγές σχήματος/ορίων. Όταν χρησιμοποιείται μία μέθοδος παραμόρφωσης πλέγματος σε ένα λογισμικό βελτιστοποίησης μορφής με αιτιοκρατική μέθοδο, είναι απαραίτητη η διαφόριση της. Στη διατριβή, η μέθοδος παραμόρφωσης πλέγματος (FT-R3M) και η μέθοδος παραμετροποίησης της επιφάνειας διαφορίζονται αναλυτικά και συνδυάζονται με τη διακριτή συζυγή μέθοδο της εταιρίας ESI και τη συνεχή συζυγή μέθοδο της Μονάδας Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης/ΕΜΠ (ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ) η οποία έχει προγραμματιστεί στο OpenFOAM. Η συζυγής μέθοδος υπολογίζει τις παραγώγους της συνάρτησης κόστους ως προς τις μεταβλητές σχεδιασμού με κόστος υπολογισμού ανεξάρτητο του πλήθους αυτών. Η συμβολή της διδακτορικής διατριβής είναι η αντιμετώπιση προβλημάτων βελτιστοποίησης μορφής τα οποία παρουσιάζουν αβεβαιότητες στις συνθήκες ροής ή/και κατασκευαστικές. Σε μια τέτοια βελτιστοποίηση, απαιτείται ο υπολογισμός της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισης της συνάρτησης ενδιαφέροντος. Η ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας (Uncertainty Quantification), για την εύρεση της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισης της συνάρτησης ενδιαφέροντος, είναι η μη-επεμβατική εκδοχή του αναπτύγματος πολυωνυμικού χάους (niPCE), στην οποία ο επιλύτης ροής χρησιμοποιείται ως “μαύρο κουτί”. Αυτή συνδυάζεται τόσο με τη συνεχή συζυγή μέθοδο στο OpenFOAM, όσο και με τον EASY (πλατφόρμα βελτιστοποίησης βασισμένη σε εξελικτικούς αλγορίθμους και μεταπρότυπα) που αναπτύχθηκαν από τη ΜΠΥΡ&Β/ΕΜΠ, για την αεροδυναμική βελτιστοποίηση μορφής υπό αβεβαιότητες. Μεταξύ άλλων, πραγματοποιούνται συγκρίσεις με συμβατικές μεθόδους δειγματοληψίας, όπως η Monte Carlo, για την επικύρωση του αποτελέσματος του niPCE. Η διατριβή πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος IODA, το οποίο έλαβε χρηματοδότηση από τη δράση Marie Skłodowska-Curie κατά τα τρία πρώτα έτη της.	el
heal.advisorName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.advisorName	Giannakoglou, Kyriakos	en
heal.committeeMemberName	Γιαννάκογλου, Κυριάκος	el
heal.committeeMemberName	Βουτσινάς, Σπυρίδων	el
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Νικολός, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος - Χριστόφορος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδάκης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Ριζιώτης, Βασίλειος	el
heal.committeeMemberName	Giannakoglou, Kyriakos	en
heal.committeeMemberName	Voutsinas, Spyridon	en
heal.committeeMemberName	Mathioudakis, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Nikolos, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Vosniakos, George - Christopher	en
heal.committeeMemberName	Papadakis, Georgios	en
heal.committeeMemberName	Riziotis, Vasilis	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	false