Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Phương pháp adjoint trong khí động học ô tô
Tóm tắt
Phương pháp adjoint từ lâu đã được xem là công cụ lựa chọn cho tối ưu hóa dựa trên gradient trong động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Sự độc lập của chi phí tính toán với số lượng biến thiết kế khiến nó trở nên đặc biệt hấp dẫn cho các bài toán có không gian thiết kế lớn. Được phát triển ban đầu bởi Lions và Pironneau vào những năm 70, phương pháp adjoint đã phát triển trở thành công cụ tiêu chuẩn trong quá trình phát triển của các ngành công nghiệp hàng không. Tuy nhiên, sự áp dụng của nó trong ngành công nghiệp ô tô vẫn chưa theo kịp. Các ứng dụng hệ thống đầu tiên của phương pháp adjoint trong CFD ô tô thú vị là không diễn ra trong lĩnh vực thiết kế hình dạng cổ điển, mà trong một lĩnh vực còn khá trẻ của tối ưu hóa dựa trên độ nhạy: tối ưu hóa hình dạng động lực học chất lỏng. Mặc dù là một khái niệm đã được thiết lập trong cơ học kết cấu trong nhiều thập kỷ, việc chuyển giao sang động lực học chất lỏng chỉ diễn ra cách đây khoảng mười năm. Chúng tôi chứng minh rằng đặc biệt đối với các ứng dụng dòng chảy trong ống dẫn, như ống dẫn khí cho thông gió cabin hoặc cổng vào động cơ, nó tạo thành một công cụ rất mạnh mẽ và đã phát triển trong những năm qua đến một mức độ cho phép sử dụng hệ thống cho nhiều ứng dụng trong ngành ô tô. Việc thúc đẩy tối ưu hóa hình dạng dựa trên phương pháp adjoint đến mức độ trưởng thành và ổn định tương tự cho các ứng dụng ô tô là chủ đề của các hợp tác nghiên cứu đang diễn ra giữa học viện và ngành công nghiệp ô tô. Những thành tựu và thách thức gặp phải trong các nỗ lực này được trình bày.
Từ khóa
#phương pháp adjoint #tối ưu hóa #động lực học chất lỏng #CFD #khí động học ô tôTài liệu tham khảo
Lions JL: Optimal Control of Systems Governed by Partial Differential Equations. Springer, New York; 1971.
Pironneau O: On optimum design in fluid mechanics. J Fluid Mech 1974, 64: 97–110. 10.1017/S0022112074002023
Jameson A: Aerodynamic design via control theory. J Sci Comput 1988, 3: 233–260. 10.1007/BF01061285
Löhner R, Soto O, Yang C: An adjoint-based design methodology for CFD optimization problems. AIAA-03–0299 2003.
Nadarajah S, Jameson A: A comparison of the continuous and discrete adjoint approach to automatic aerodynamic optimization. AIAA-00–0667 2000.
OpenFOAM® - The Open Source CFD Toolbox [http://www.openfoam.com]
Othmer C, de Villiers E, Weller HG: Implementation of a continuous adjoint for topology optimization of ducted flows. AIAA-2007–3947 2007.
Othmer C: A continuous adjoint formulation for the computation of topological and surface sensitivities of ducted flows. Int J Numer Methods Fluids 2008, 58: 861–877. 10.1002/fld.1770
Zymaris AS, Papadimitriou DI, Giannakoglou KC, Othmer C: Continuous adjoint approach to the Spalart-Allmaras turbulence model for incompressible flows. Comput Fluids 2009,38(8):1528–1538. 10.1016/j.compfluid.2008.12.006
Othmer C, Papoutsis-Kiachagias EM, Haliskos K: CFD optimization via sensitivity-based shape morphing. Proceedings of the 4th ANSA & μETA Internat. Conf., Thessaloniki, Greece, BETA CAE Systems S.A. 2011.
Zymaris AS, Papadimitriou DI, Giannakoglou KC, Othmer C: Optimal location of suction or blowing jets using the continuous adjoint approach. Proceedings of the 5th European Conf. on Computational Fluid Dynamics, Lisbon, Portugal, ECCOMAS CFD 2010.
Zymaris AS, Papadimitriou DI, Giannakoglou KC, Othmer C: Adjoint wall functions: a new concept for use in aerodynamic shape optimization. J Comput Phys 2010,229(13):5228–5245. 10.1016/j.jcp.2010.03.037
Kontoleontos EA, Papoutsis-Kiachagias EM, Zymaris AS, Papadimitriou DI, Giannakoglou KC: Adjoint-based constrained topology optimization for viscous flows, including heat transfer. Eng Optim 2013,45(8):941–961. 10.1080/0305215X.2012.717074
de Villiers E, Othmer C: Multi-objective adjoint optimization of intake port geometry. SAE Technical Paper 2012–01–0905 2012.
Helgason E, Krajnovic S: Aerodynamic shape optimization of a pipe using the adjoint method. Proceedings of the ASME 2012 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, Houston, Texas, USA, IMECE 2012.
Lincke A, Rung T: Adjoint-based sensitivity analysis for Buoyancy-driven incompressible Navier-Stokes equations with heat transfer. Proceedings of the Eighth Internat. Conf. on Engineering Computational Technology, Dubrovnik, Croatia 2012.
Jakubek D, Wagner C: Shape optimization of train head cars using adjoint-based computational fluid dynamics. Proceedings of the First International Conference on Railway Technology, Las Palmas de Gran Canaria, Spain 2012.
Towara M: Numerical optimization of an oil intake duct with adjoint topological methods. Diploma thesis. RWTH Aachen University, Dept. of Software and Tools for Computational Engineering; 2011.
Hinterberger C, Olesen M: Automatic geometry optimization of exhaust systems based on sensitivities computed by a continuous adjoint CFD method in OpenFOAM. SAE Technical Paper 2010–01–1278 2010.
Hinterberger C, Olesen M: Industrial application of continuous adjoint flow solvers for the optimization of automotive exhaust systems. Proceedings of the ECCOMAS Thematic Conf. - CFD & Optimization, Antalya, Turkey, ECCOMAS 2011.
Giannakoglou KC: Continuous adjoint methods in shape, topology, flow-control and robust optimization. Open Source CFD International Conference, London, UK, ICON-CFD 2012.
Bendsoe MP, Sigmund O: Topology Optimization: Theory, Methods and Applications. Springer, Berlin; 2004.
Borrvall T, Petersson J: Topology optimization of fluids in Stokes flow. Int J Numer Methods Fluids 2003, 41: 77–107. 10.1002/fld.426
Moos O, Klimetzek F, Rossmann R: Bionic optimization of air-guiding systems. SAE Technical Paper 2004–01–1377 2004. Moos O, Klimetzek F, Rossmann R: Bionic optimization of air-guiding systems. SAE Technical Paper 2004-01-1377 2004.
Gersborg-Hansen A, Sigmund O, Haber R: Topology optimization of channel flow problems. Struct Multidiscip Optim 2005, 30: 181–192. 10.1007/s00158-004-0508-7
Othmer C, Grahs T: Approaches to fluid dynamic optimization in the car development process. Proceedings of the EUROGEN Conference, Munich, Germany 2005.
Othmer C, Kaminski T, Giering R: Computation of topological sensitivities in fluid dynamics: cost function versatility. Proceedings of the ECCOMAS CFD Conference, Delft, The Netherlands 2006.
Stavropoulou E, Hojjat M, Bletzinger KU: In-plane mesh regularization for node-based shape optimization problems. Comput Methods Appl Mech Eng, in press [http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004578251400070X]
Hojjat M, Stavropoulou E, Bletzinger KU: The vertex morphing method for node-based shape optimization. Comput Methods Appl Mech Eng 2014, 268: 494–513.
ANSA® pre-processor – BETA CAE Systems S.A. [http://www.beta-cae.gr/ansa.htm] ANSA® pre-processor – BETA CAE Systems S.A. [http://www.beta-cae.gr/ansa.htm]
Islam M, Decker F, de Villiers E, Jackson A, Gines J, Grahs T, Gitt-Gehrke A, Comas i Font J: Application of detached-Eddy simulation for automotive aerodynamics development. SAE Technical Paper 2009–01–0333 2009.
Griewank A: Achieving logarithmic growth of temporal and spatial complexity in reverse automatic differentiation. Optim Methods Softw 1992, 1: 33–54.
Wang Q, Moin P, Iaccarino G: Minimal repetition dynamic checkpointing algorithm for unsteady adjoint calculation. SIAM J Sci Comput 2009,31(4):2549–2567. 10.1137/080727890
Brunn A, Wassen E, Sperber D, Nitsche W, Thiele F: Active drag control for a generic car model. Notes Numer Fluid Mech Multidiscipl Des 2007, 95: 247–259. 10.1007/978-3-540-71439-2_15
Ahmed SR, Ramm R, Falting G: Some salient features of the time-averaged ground vehicle wake. SAE Technical Paper 84–0300 1984.
Bideaux E, Bobillier P, Fournier E, Gillieron P, El Hajem M, Champagne JY, Gilotte P, Kourta A: Drag reduction by pulsed jets on strongly unstructured wake: towards the square back control. Int J Aerodyn 2011,1(3/4):282–298. 10.1504/IJAD.2011.038846
Heinemann T, Springer M, Lienhart H, Kniesburges S, Becker S: Active flow control on a 1:4 car model. Proceedings of the 16th Int. Symp. on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal 2012.
Petzold R: Experimentelle Untersuchungen zur Strömungsbeeinflussung an einem 1:4-Fahrzeugmodell. Diploma thesis. TU Braunschweig, Inst. für Strömungsmechanik; 2011.
Torbert S, Löhner R: Checkpointing schemes for adjoint methods and strongly unsteady flow. AIAA-2012–0572 2012.
Economon TD, Palacios F, Alonso JJ: A coupled-adjoint method for aerodynamic and aeroacoustic optimization. AIAA-2012–5598 2012.
Carnarius A, Thiele F, Özkaya E, Nemili A, Gauger N: Optimal control of unsteady flows using a discrete and a continuous adjoint approach. Proceedings of the 25th Conference on System Modeling and Optimization, Berlin, Germany 2011, 318–327.
aboutFlow - Adjoint-based optimisation of industrial and unsteady flows [http://aboutflow.sems.qmul.ac.uk]