Optimum Shape Design of Geometrically Nonlinear Submerged Arches Using the Coral Reefs Optimization with Substrate Layers Algorithm

In this paper, a novel procedure for optimal design of geometrically nonlinear submerged arches is proposed. It is based on the Coral Reefs Optimization with Substrate Layers algorithm, a multi-method ensemble evolutionary approach for solving optimization problems. A novel arch shape parameterization is combined with the Coral Reefs Optimization with Substrate Layers algorithm. This new parameterization allows considering geometrical parameters in the design process, in addition to the reduction of the bending moment carried out by the classical design approach. The importance of considering the second-order behaviour of the arch structure is shown by different numerical experiments. Moreover, it is shown that the use of Coral Reefs Optimization with Substrate Layers algorithm leads to nearly-optimal solutions, ensuring the stability of the structure, reducing the maximum absolute bending moment value, and complying with the serviceability structural restrictions.

Aerodynamic design optimization of a hypersonic rocket sled deflector using the free-form deformation technique

An aerodynamic design optimization of a hypersonic rocket sled deflector is presented using the free-form deformation (FFD) technique. The objective is to optimize the aerodynamic shape of the hypersonic rocket sled deflector to increase its negative lift and enhance the motion stability of the rocket sled. The FFD technique is selected as the aerodynamic shape parameterization method, and the continuous adjoint method based on the gradient method is used to search the optimization in the geometric shape parameter space; the computational fluid dynamics method for a hypersonic rocket sled is employed. An automatic design optimization method for the deflector is carried out based on the aerodynamic requirements of the rocket sled. The optimization results show that the optimized deflector meets the design requirement of increasing the negative lift under the constraint of drag. By improving the pressure distribution on the surface of the deflector, the negative lift is increased by 7.39%, which confirms the effectiveness of the proposed method.

Gradient-Based Aerodynamic Optimization of an Airfoil with Morphing Leading and Trailing Edges

This article presents a gradient-based aerodynamic optimization framework and investigates optimum deformations for a transonic airfoil equipped with morphing leading and trailing edges. Specifically, the proposed optimization framework integrates an innovative morphing shape parameterization with a high fidelity Reynolds-averaged Navier–Stokes computational fluid dynamic solver, a hybrid mesh deformation algorithm, and an efficient gradient evaluation method based on continuous adjoint implementation. To achieve a feasible morphing shape, some structural properties of skin and wing-box constraints were introduced into the morphing shape parameterization, which offers skin length control and enables wing-box shape invariance. In this study, the optimum leading and trailing edge deformations with minimization of drag at this cruise stage were searched for using the adjoint-based optimization with a nested feasible morphing procedure, subject to the wing-box, skin length, and airfoil volume constraints. The numerical studies verified the effectiveness of the optimization strategy, and demonstrated the significant aerodynamic performance improvement achieved by using the morphing devices. A lambda shock pattern was observed for the optimized morphing leading edge. That result further indicates the importance of leading edge radius control.

Development of shape parameterization techniques, a flow solver and its adjoint, for optimization on GPUs

Αντικείμενο της διδακτορικής αυτής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη μεθόδων και υπολογιστικών εργαλείων για τη γρήγορη και χαμηλού κόστους βελτιστοποίηση αεροδυναμικών/υδροδυναμικών μορφών. Η ανάπτυξη αφορά στο σύνολο των δομικών στοιχείων που απαρτίζουν τη διαδικασία βελτιστοποίησης, συγκεκριμένα α) το λογισμικό Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής που χρησιμοποιείται για την ανάλυση, β) τις μεθόδους βελτιστοποίησης και γ) την παραμετροποίηση μορφών. Στόχος είναι η μείωση του συνολικού κόστους της βελτιστοποίησης, καθιστώντας την κατάλληλη για χρήση στο σχεδιασμό σε βιομηχανικό περιβάλλον.Το οικείο λογισμικό επίλυσης των εξισώσεων Navier-Stokes PUMA (Parallel Unstructured Multi-row Adjoint) με δυνατότητα εκτέλεσης σε επεξεργαστές καρτών γραφικών (GPUs), επεκτείνεται με έναν επιλύτη για ασυμπίεστες ροές βασισμένο στη μέθοδο της Τεχνητής Συμπιεστότητας.Οι εξισώσεις εκφράζονται σε πολλαπλά συστήματα αναφοράς. Αναθεωρούνται, εκσυγχρονίζονται και επαναξιολογούνται προγραμματιστικές και αριθμητικές τεχνικές, εξειδικευμένες για GPUs, που αναπτύχθηκαν σε προηγούμενες εργασίες πάνω στο λογισμικό PUMA, οδηγώντας σε μέχρι και 40x ταχύτερη GPU-υλοποίηση από την αντίστοιχη CPU. Η επιτάχυνση αυτή επιτυγχάνεται με προσεκτική αναδόμηση, εκλεπτυσμένη διαχείριση μνήμης, χρήση αριθμητικής μεικτής ακρίβειας (Mixed Precision Arithmetics) και αποδοτική χρήση του περιβάλλοντος προγραμματισμού CUDA της NVIDIA.Για την πιστοποίηση του λογισμικού PUMA μελετώνται μία σειρά από περιπτώσεις εφαρμογών. Αυτές αφορούν σε τυρβώδεις ροές γύρω από δύο μεμονωμένες αεροτομές, τη ροή σε συγκλίνοντα-αποκλίνοντα διηχητικό διαχύτη, τη ροή σε αγωγό με απότομη διεύρυνση και τη ροή στο δρομέα μίας ανεμογεννήτριας οριζοντίου άξονα, με δημοσιευμένα αποτελέσματα για σύγκριση. Η πιστοποίηση συμπληρώνεται με την πρόλεξη του πεδίου ροής γύρω από την πτέρυγα ONERA M6, σε υδροστρόβιλο τύπου προπέλας και στη σταθερή πτερύγωση ενός στροβίλου υψηλής πίεσης.Η διατριβή εστιάζει κατ' αποκλειστικότητα στη συνεχή συζυγή μέθοδο και προτείνεται η ανάπτυξή της για τον επιλύτη τόσο συμπιεστών όσο και ασυμπίεστων ροών, με την επίλυση των δεύτερων να πραγματοποιείται με τη μέθοδο της τεχνητής συμπιεστότητας. Αναπτύσσονται δύο διαφορετικές εκφράσεις για τις παραγώγους ευαισθησίας, κατ' αντιστοιχία με τη συνεχή συζυγή μέθοδος βασισμένη σε επιφανειακά ολοκληρώματα και την αντίστοιχη βασισμένη σε χωρικά ολοκληρώματα. Με στόχο την ακρίβεια των παραγώγων ευαισθησίας, και στις δύο διατυπώσεις της συνεχούς συζυγούς μεθόδου, λαμβάνονται υπόψη οι μεταβολές της τυρβώδους συνεκτικότητας λόγω αλλαγής της αεροδυναμικής μορφής μέσω της συζυγούς διατύπωσης του μοντέλου τύρβης Spalart-Allmaras.Για την παραμετροποίηση αεροδυναμικών μορφών, αναπτύσσεται ένα παραμετρικό λογισμικό μοντελοποίησης πτερυγώσεων στροβιλομηχανών. Το λογισμικό ονομάζεται GMTurbo (Geometry Modeler for Turbomachines). Mαζί με το λογισμικό PUMA και το οικείο λογισμικό βελτιστοποίησης EASY (βασισμένο σε εξελικτικούς αλγορίθμους), χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση ενός υδροστροβίλου τύπου προπέλας. Επιπλέον, αναπτύσσεται μία τεχνική ελεύθερης μορφοποίησης χώρου βασισμένη σε ογκομετρικές NURBS, για να υποστηρίξει τη βελτιστοποίηση μορφής. Στοιχείο πρωτοτυπίας της διατριβής αποτελεί μία νέα προσέγγιση για την επέκταση της τεχνικής σε εφαρμογές στροβιλομηχανών,βασισμένη σε ενδιάμεσους μετασχηματισμούς συντεταγμένων.Η τεχνική των ογκομετρικών NURBS διαφορίζεται και χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση μορφής διηχητικής αεροτομής, γραμμικής πτερύγωσης συμπιεστή, 3Δ διηχητικής πτέρυγας και της σταθερής πτερύγωσης στροβίλου υψηλής πίεσης.

Optimization of Complex Geometry Using Tenth Order Partial Differential Equation

This paper presents an efficient and intuitive technique of shape parameterization for design optimization using a partial differential equation (PDE) of order ten. It shows how the choice of two introduced parameters can enable one to parameterize complex geometries. With the use of PDE based formulation, it is shown in this paper how the shape can be defined and manipulated on the basis of parameterization and the boundary value approaches by which complex shapes can be created. Further the boundary conditions which are used in it are a boundary and an intermediate curves for defining the shape. This technique allows complex shapes to be parameterized intuitively using a very small set of design parameters. Hence, Practical design optimization of problems becomes more achievable by applying PDE based approach of shape parameterization by incorporating standard numerical optimization techniques.