Open AccessDevelopment of computational tools, based on Radial Basis Functions and Differential Evolution, for the parametric design of aeroelastic systems
Author(s) -
Giorgos A. Strofylas,
Γιώργος Στροφύλας
Publication year - 2021
Language(s) - Uncategorized
Resource type - Dissertations/theses
DOI - 10.12681/eadd/49311
Subject(s) - radial basis function , turbomachinery , aeroelasticity , parametric statistics , computer science , partition of unity , basis (linear algebra) , basis function , mathematics , algorithm , engineering , artificial intelligence , mathematical analysis , structural engineering , mechanical engineering , aerodynamics , geometry , aerospace engineering , finite element method , artificial neural network , statistics
Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής είναι η ανάπτυξη και η επικύρωση μεθοδολογιών και υπολογιστικών εργαλείων, τα οποία επιτρέπουν τον αποτελεσματικό σχεδιασμό, τη βελτιστοποίηση και την αριθμητική προσομοίωση αεροελαστικών συστημάτων. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα λογισμικό με το όνομα “T4T” (Tools for Turbomachinery - Εργαλεία για στροβιλομηχανές) για τον παραμετρικό σχεδιασμό τόσο της εξωτερικής επιφάνειας των πτερυγίων ανεμογεννητριών οριζοντίου άξονα όσο και της εσωτερικής τους δομής. Η όλη διαδικασία είναι πλήρως παραμετρική και επιτρέπει στον χρήστη να ορίσει πτερύγια διαφόρων τύπων. Επιπλέον, το λογισμικό παρέχει τη δυνατότητα αυτοματοποίησης των διαδικασιών του (batch mode) έτσι ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί αυτόματα σε έναν κύκλο βελτιστοποίησης και να παράγει διαφορετικές υποψήφιες γεωμετρίες, διατηρώντας παράλληλα αμετάβλητη την τοπολογία τους. Όσον αφορά στη μεθοδολογία βελτιστοποίησης, που χρησιμοποιείται στον προαναφερθέντα κύκλο σχεδιασμού των ανεμογεννητριών, αναπτύχθηκε ένας παράλληλος, σύγχρονος/ασύγχρονος, Διαφορικός Εξελικτικός αλγόριθμος, που κάνει χρήση μεταμοντέλων (Differential Evolution (DE) algorithm). Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε μια εξειδικευμένη μεθοδολογία ανακατασκευής επιφανείας πτερυγίων ανεμογεννητριών, από ένα σύνολο σημείων που παρέχονται με τη μορφή ενός τριγωνικού επιφανειακού πλέγματος. Η μέθοδος υπολογίζει όλες τις απαραίτητες παραμέτρους που απαιτούνται από το λογισμικό "T4T" για την περιγραφή της επιφάνειας του πτερυγίου ως μια μοναδική επιφάνεια NURBS. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μία μεθοδολογία για την παραμόρφωση υπολογιστικών πλεγμάτων η οποία βασίζεται στη μέθοδο παρεμβολής με χρήση των ακτινικών συναρτήσεων βάσης (Radial Basis Functions - RBFs). Επιπλέον, αναπτύχθηκε μία προσέγγιση για την επιτάχυνση της διαδικασίας παραμόρφωσης πλεγμάτων με χρήση RBFs μέσω της τεχνικής μείωσης των επιφανειακών κόμβων, λαμβάνοντας υπόψη τη συσσωμάτωση (agglomeration) των γειτονικών όγκων ελέγχου. Βασίζεται στη στρατηγική που ακολουθείται από αντίστοιχες μεθόδους πολυπλέγματος (multigrid) που στοχεύουν στην επιτάχυνση της αριθμητικής επίλυσης προβλημάτων ροής ρευστού και μετάδοσης θερμότητας μέσω ακτινοβολίας κ.λπ. Τέλος, αναπτύχθηκε μία μεθοδολογία για την αριθμητική επίλυση προβλημάτων αλληλεπίδρασης ρευστού-στερεού (Fluid Structure Interaction - FSI), η οποία βασίζεται στη μέθοδο των RBFs και της τεχνικής του διαμερισμού της μονάδας (Partition of Unity - PoU). Με αυτήν την προσέγγιση, εξασφαλίζεται η αρχή διατήρησης της ενέργειας, της ορμής και της δύναμης κατά την μεταφορά της πληροφορίας μεταξύ των πλεγμάτων του ρευστού και του στερεού. Η χρήση της μεθοδολογίας PoU βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας μεταφοράς δεδομένων, παρέχοντας ταυτόχρονα μια φυσική διαμόρφωση της κατανομής των δυνάμεων.