Eddy Viscosity Adaptation Using the Continuous Adjoint Method with Application in Aerodynamic Shape Optimization

Τσολάκος, Χαράλαμπος; Tsolakos, Charalampos

dc.contributor.author	Τσολάκος, Χαράλαμπος	el
dc.contributor.author	Tsolakos, Charalampos	en
dc.date.accessioned	2026-06-09T04:47:59Z
dc.date.available	2026-06-09T04:47:59Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/64855
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.32549
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	Computational Fluid Dynamics (CFD)	en
dc.subject	Adjoint optimization	en
dc.subject	Eddy Viscosity Adaptation (EVA)	en
dc.subject	OpenFOAM	en
dc.subject	Frozen Eddy Viscosity (FEV)	en
dc.subject	Υπολογιστική Ρευστοδυναμική	el
dc.subject	Υποκατάσταση μοντέλων τύρβης	el
dc.subject	Συζυγής βελτιστοποίηση	el
dc.subject	Τυρβώδης συνεκτικότητα	el
dc.subject	Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση Μορφής	el
dc.title	Eddy Viscosity Adaptation Using the Continuous Adjoint Method with Application in Aerodynamic Shape Optimization	en
dc.contributor.department	Τομέας Ρευστών. Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Προσαρμογή Τυρβώδους συνεκτικότητας με τη Συνεχή Συζυγή Μέθοδο με Εφαρμογή στην Αεροδυναμική Βελτιστοποίηση Μορφής	el
heal.classification	Computational Fluid Dynamics	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2026-02-16
heal.abstract	This diploma thesis focuses on the implementation and development of an adjoint–based flow solver within the OpenFOAM environment, employing a data–driven approach for turbulence closure, as well as on investigating how this method can be exploited in aerodynamic shape optimization. First, a comparison is made between the RANS and DES models, both based on Spalart–Allmaras (SA) model, aiming to enhance the predictive accuracy of a steady simulation by using the latter as higher fidelity reference data which comes with a significantly higher computational cost (unsteady run). The proposed method and the developed software tools are applied to three cases: a U–Bend duct, the NACA0012 airfoil, and the geometry of the passenger vehicle Toyota Aygo X. A surrogate to the RANS (SA) turbulence model is created by minimizing the deviation between the velocity field produced by the model and time-averaged DES results. The turbulent viscosity field νt constitutes the optimization variables. This is why this method will be referred to as "Eddy–Viscosity Adaptation" or EVA. For this minimization problem, an adjoint problem is formulated and solved, in OpenFOAM. The correctness of the adjoint derivatives is verified through comparisons with finite differences. The surrogate turbulent eddy viscosity fields are subsequently utilized in a shape optimization loop, with the goal of producing aerodynamic shapes with a lower drag coefficient, using parsimonious steady runs while maintaining DES-level accuracy. During the optimization, the eddy viscosity field computed a priori by the EVA step remains fixed; this is why, this optimization is referred to as a "Frozen Eddy Viscosity" or FEV one and the adjoint method used for this has accordingly been adapted. In this way, the work aims to replace the use of an unsteady flow simulation (and the corresponding unsteady adjoint) within the shape optimization loop, and get "similar" results at much lower computational cost. A great part of this diploma thesis was carried out at the facilities of Toyota Motor Europe (TME) in Brussels, during a six month internship, under the supervision of Mr. Antoine Delacroix from the industry side.	en
heal.abstract	Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μιας συζυγούς μεθόδου στο περιβάλλον του OpenFOAM, για την υποκατάσταση μοντέλων τύρβης με τη χρήση δεδομένων, καθώς και η διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η μέθοδος αυτή μπορεί να αξιοποιηθεί στην αεροδυναμική βελτιστοποίηση μορφής. Αρχικά, πραγματοποιείται σύγκριση μεταξύ των μοντέλων RANS και DES, τα οποία βασίζονται και τα δύο στο μοντέλο Spalart–Allmaras (SA), όπου επιδιώκεται να βρεθεί ένα υποκατάστατο του πρώτου, χρησιμοποιώντας το δεύτερο ως αναφορά υψηλότερης πιστότητας, η οποία όμως έχει υψηλότερο υπολογιστικό κόστος. Η ανάλυση εφαρμόζεται σε τρία προβλήματα ροής σε/γύρω από: έναν αγωγό τύπου U, την αεροτομή NACA0012 και τη γεωμετρία του επιβατικού οχήματος Toyota Aygo X. Δημιουργείται ενα υποκατάστατο του μοντέλου RANS (SA) μέσω ελαχιστοποίησης της απόκλισης μεταξύ του πεδίου ταχυτήτων που παράγει το μοντέλο και των χρονικά μέσων αποτελεσμάτων DES. Ως μεταβλητή βελτιστοποίησης επιλέγεται, σε κάθε κελί, το πεδίο της τυρβώδους συνεκτικότητας νt · για τον λόγον αυτό, η μέθοδος θα αναφέρεται ως Eddy–Viscosity Adaptation ή EVA. Για την επίλυση του προβλήματος ελαχιστοποίησης διατυπώνεται και επιλύεται ένα συζυγές πρόβλημα στο OpenFOAM. Η ορθότητα των συζυγών παραγώγων επαληθεύεται μέσω σύγκρισης με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Τα υποκατάστατα πεδία τυρβώδους συνεκτικότητας χρησιμοποιούνται στη συνέχεια σε έναν βρόχο βελτιστοποίησης μορφής, με στόχο την παραγωγή αεροδυναμικών γεωμετριών με μειωμένο συντελεστή οπισθέλκουσας, διατηρώντας παράλληλα ακρίβεια επιπέδου DES, αν και η επίλυση γίνεται με χρονικά μόνιμο κώδικα, χωρίς καν το μοντέλο τύρβης. Κατά τη διάρκεια της βελτιστοποίησης, το πεδίο τυρβώδους συνεκτικότητας που υπολογίζεται στο στάδιο EVA παραμένει σταθερό· γι’ αυτό η διαδικασία αναφέρεται ως Frozen Eddy Viscosity ή FEV και η αντίστοιχη συζυγής διατύπωση προσαρμόζεται αναλόγως. Με αυτόν τον τρόπο, η εργασία στοχεύει να αντικαταστήσει έναν βρόχο βελτιστοποίησης που βασίζεται σε μη-μόνιμη προσομοίωση ροής (και στο αντίστοιχο μη-μόνιμο συζυγές πρόβλημα), επιτυγχάνοντας συγκρίσιμα αποτελέσματα με σημαντικά μικρότερο υπολογιστικό κόστος. Το μεγαλύτερο μέρος της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστάσεις της Toyota Motor Europe (TME) στις Βρυξέλλες, κατά τη διάρκεια εξάμηνης πρακτικής άσκησης, υπό την επίβλεψη του κ. Antoine Delacroix από την πλευρά της βιομηχανίας.	el
heal.advisorName	Γιαννακόγλου, Κυριάκος
heal.committeeMemberName	Αρετάκης, Νικόλαος
heal.committeeMemberName	Μαθιουδάκης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	93
heal.fullTextAvailability	false