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

2019 ◽  
Author(s):  
Κωνσταντίνος Τσιάκας
Keyword(s):  
Navier Stokes ◽  
Flow Solver ◽  
Mixed Precision ◽  
Shape Parameterization

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.

Simulation of the Gap Resonance Between Two Rectangular Barges in Regular Waves by a Free Surface Viscous Flow Solver

2013 ◽  
Author(s):  
B. Elie ◽  
G. Reliquet ◽  
P.-E. Guillerm ◽  
O. Thilleul ◽  
P. Ferrant ◽  
...  
Keyword(s):  
Experimental Data ◽  
Free Surface ◽  
Viscous Flow ◽  
Stokes Equations ◽  
Resonance Phenomenon ◽  
Navier Stokes ◽  
Regular Waves ◽  
Navier Stokes Equations ◽  
Flow Solver ◽  
Gap Resonance

This paper compares numerical and experimental results in the study of the resonance phenomenon which appears between two side-by-side fixed barges for different sea-states. Simulations were performed using SWENSE (Spectral Wave Explicit Navier-Stokes Equations) approach and results are compared with experimental data on two fixed barges with different headings and bilges. Numerical results, obtained using the SWENSE approach, are able to predict both the frequency and the magnitude of the RAO functions.

Simulation of laminar-turbulent transition with an explicit Navier-Stokes flow solver

1995 ◽  
Vol 11 (6) ◽  
pp. 1187-1194 ◽  
Author(s):  
Lyle D. Dailey ◽  
Ian K. Jennions ◽  
Paul D. Orkwis
Keyword(s):  
Stokes Flow ◽  
Navier Stokes ◽  
Flow Solver ◽  
Turbulent Transition ◽  
Laminar Turbulent Transition

A compressible Navier–Stokes flow solver with scalar transport

2005 ◽  
Vol 204 (2) ◽  
pp. 692-714 ◽  
Author(s):  
Qibing Li ◽  
Song Fu ◽  
Kun Xu
Keyword(s):  
Stokes Flow ◽  
Scalar Transport ◽  
Navier Stokes ◽  
Flow Solver

The Development of an Aerodynamic Performance Prediction Tool for Modern Axial Flow Compressor Profiles

2006 ◽  
Author(s):  
Dario Bruna ◽  
Carlo Cravero ◽  
Mark G. Turner
Keyword(s):  
Performance Prediction ◽  
Parametric Design ◽  
Flow Analysis ◽  
Axial Flow ◽  
Navier Stokes ◽  
Flow Angle ◽  
Flow Solver ◽  
Aerodynamic Loss ◽  
Axial Flow Compressor ◽  
Flow Compressor

The development of a computational tool (MP-LOS) for the aerodynamic loss modeling and prediction for axial-flow compressor blade sections is presented in this paper. A state-of-the-art quasi 3-D flow solver, MISES, has been used for the flow analysis on existing airfoil geometries in many working conditions. Different values of inlet flow angle, inlet Mach number, AVDR, Reynolds number and solidity have been chosen to investigate a possible working range. The target is a loss prediction formulation that will be introduced into throughflow or axisymmetric Navier-Stokes codes for the performance prediction of multistage axial flow compressors. The loss coefficient has been correlated to the flow parameters that have shown an influence on the profile loss for the blades under study. The proposed correlation, using the described computational approach, can be extended to any profile family with the aid of any code for the parametric design of blade profiles.

scholarly journals Development of a Three-Dimensional Geometry Optimization Method for Turbomachinery Applications

2004 ◽  
Vol 10 (5) ◽  
pp. 373-385
Author(s):  
Steffen Kämmerer ◽  
Jürgen F. Mayer ◽  
Heinz Stetter ◽  
Meinhard Paffrath ◽  
Utz Wever ◽  
...  
Keyword(s):  
Optimization Problem ◽  
Stokes Equations ◽  
Turbine Blades ◽  
Three Dimensional ◽  
Optimization Techniques ◽  
Navier Stokes ◽  
Physical Parameters ◽  
Flow Solver ◽  
Flow Simulations ◽  
Sensitivity Equations

This article describes the development of a method for optimization of the geometry of three-dimensional turbine blades within a stage configuration. The method is based on flow simulations and gradient-based optimization techniques. This approach uses the fully parameterized blade geometry as variables for the optimization problem. Physical parameters such as stagger angle, stacking line, and chord length are part of the model. Constraints guarantee the requirements for cooling, casting, and machining of the blades.The fluid physics of the turbomachine and hence the objective function of the optimization problem are calculated by means of a three-dimensional Navier-Stokes solver especially designed for turbomachinery applications. The gradients required for the optimization algorithm are computed by numerically solving the sensitivity equations. Therefore, the explicitly differentiated Navier-Stokes equations are incorporated into the numerical method of the flow solver, enabling the computation of the sensitivity equations with the same numerical scheme as used for the flow field solution.This article introduces the components of the fully automated optimization loop and their interactions. Furthermore, the sensitivity equation method is discussed and several aspects of the implementation into a flow solver are presented. Flow simulations and sensitivity calculations are presented for different test cases and parameters. The validation of the computed sensitivities is performed by means of finite differences.

scholarly journals Determination of Aerodynamic Damping at High Reduced Frequencies

2018 ◽  
Author(s):  
Minghao Pan ◽  
Paul Petrie-Repar ◽  
Hans Mårtensson ◽  
Tianrui Sun ◽  
Tobias Gezork
Keyword(s):  
Acoustic Resonance ◽  
Forced Response ◽  
Economic Consequences ◽  
Navier Stokes ◽  
Flow Solver ◽  
Aerodynamic Damping ◽  
Acoustic Modes ◽  
Reduced Frequency ◽  
Standard Configuration

In turbomachines, forced response of blades is blade vibrations due to external aerodynamic excitations and it can lead to blade failures which can have fatal or severe economic consequences. The estimation of the level of vibration due to forced response is dependent on the determination of aerodynamic damping. The most critical cases for forced response occur at high reduced frequencies. This paper investigates the determination of aerodynamic damping at high reduced frequencies. The aerodynamic damping was calculated by a linearized Navier-Stokes flow solver with exact 3D non-reflecting boundary conditions. The method was validated using Standard Configuration 8, a two-dimensional flat plate. Good agreement with the reference data at reduced frequency 2.0 was achieved and grid converged solutions with reduced frequency up to 16.0 were obtained. It was concluded that at least 20 cells per wavelength is required. A 3D profile was also investigated: an aeroelastic turbine rig (AETR) which is a subsonic turbine case. In the AETR case, the first bending mode with reduced frequency 2.0 was studied. The 3D acoustic modes were calculated at the far-fields and the propagating amplitude was plotted as a function of circumferential mode index and radial order. This plot identified six acoustic resonance points which included two points corresponding to the first radial modes. The aerodynamic damping as a function of nodal diameter was also calculated and plotted. There were six distinct peaks which occurred in the damping curve and these peaks correspond to the six resonance points. This demonstrates for the first time that acoustic resonances due to higher order radial acoustic modes can affect the aerodynamic damping at high reduced frequencies.

Generation of Regular and Irregular Waves in Navier-Stokes CFD Solvers by Matching With the Nonlinear Potential Wave Solution at the Boundaries

2018 ◽  
Author(s):  
Youngmyung Choi ◽  
Benjamin Bouscasse ◽  
Sopheak Seng ◽  
Guillaume Ducrozet ◽  
Lionel Gentaz ◽  
...  
Keyword(s):  
Viscous Flow ◽  
Open Source ◽  
Cfd Simulation ◽  
Irregular Waves ◽  
Navier Stokes ◽  
Wave Fields ◽  
Flow Solver ◽  
Nonlinear Potential ◽  
Simulation Parameters ◽  
2D And 3D

The capability of wave generation and absorption in a viscous flow solver becomes important for achieving realistic simulations in naval and offshore fields. This study presents an efficient generation of nonlinear wave fields in the viscous flow solver by using a nonlinear potential solver called higher-order spectral method (HOS). The advantages of using a fully nonlinear potential solver for the generation of irregular waves are discussed. In particular, it is shown that the proposed method allows the CFD simulation to start at the time and over the space of interest, retrieved from the potential flow solution. The viscous flow solver is based on the open source library OpenFOAM. The potential solvers used to generate waves are the open source solvers HOS-Ocean and HOS-NWT (Numerical Wave Tank). Several simulation parameters in the CFD solver are investigated in the present study. A HOS wrapper program is newly developed to regenerate wave fields in the viscous flow solver. The wrapper program is validated with OpenFOAM for 2D and 3D regular and irregular waves using relaxation zones. Finally, the extreme waves corresponding to the 1000 year return period condition in the Gulf of Mexico are simulated with the viscous flow solver and the wave elevation is compared with the experiments.

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document