This paper presents a new self-adjoint material sensitivity formulation for optimal designs and inverse problems in the high frequency domain. The proposed method is based on the continuum approach using the augmented Lagrangian method. Using the self-adjoint formulation, there is no need to solve the adjoint system additionally when the goal function is a function of the S-parameter. In addition, the algorithm is more general than most previous approaches because it is independent of specific analysis methods or gridding techniques, thereby enabling the use of commercial EM simulators and various custom solvers. For verification, the method was applied to the several numerical examples of dielectric material reconstruction problems in the high frequency domain, and the results were compared with those calculated using the conventional method.
비정렬 격자계에서 continuous adjoint 방정식을 사용하여 비점성 압축성 유동장에서의 이차원 날개꼴에 대한 공력 형상 최적설계를 수행하였다. 정확한 민감도를 구하기 위한 재구성 기법으로는 Laplacian averaging을 사용하였으며, extended stencil을 사용한 최소자승법으로 유동변수의 미분을 구하였다. 또한 유동장과 adjoint 방정식의 적절한 수렴 조건에 대해서 알아보았으며, 이를 이용하여 천음속 비점성 유동장에서 RAE2822 및 NACA0012 날개꼴에 대해서 조파항력 최소화 설계를 수행하였다. 설계된 날개꼴에서 다시 충격파를 복원하는 역설계문제를 적용하여 본 연구에서 사용된 최적설계 기법을 검증하였다.
Kim, Hyoung-Jin;Kim, Chongam;Rho, Oh-Hyun;Lee, Ki Dong
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제3권2호
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pp.161-171
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1999
Aerodynamic sensitivity analysis codes are developed via the hand-differentiation using a direct differentiation method and an adjoint method respectively from discrete two-dimensional compressible Navier-Stokes equations. Unlike previous other researches, Baldwin-Lomax algebraic turbulence model is also differentiated by hand to obtain design sensitivities with respect to design variables of interest in turbulent flows. Discrete direct sensitivity equations and adjoint equations are efficiently solved by the same time integration scheme adopted in the flow solver routine. The required memory for the adjoint sensitivity code is greatly reduced at the cost of the computational time by allowing the large banded flux jacobian matrix unassembled. Direct sensitivity code results are found to be exactly coincident with sensitivity derivatives obtained by the finite difference. Adjoint code results of a turbulent flow case show slight deviations from the exact results due to the limitation of the algebraic turbulence model in implementing the adjoint formulation. However, current adjoint sensitivity code yields much more accurate sensitivity derivatives than the adjoint code with the turbulence eddy viscosity being kept constant, which is a usual assumption for the prior researches.
A mathematical methodology is proposed for designing nozzle hole shapes producing controlled geometric cavitation. The proposed methodology uses an unstructured RANS flow solver, with the ability to compute sensitivity derivatives via an adjoint algorithm. The adjoint formulation for the N-S equations is presented while variation of the turbulence viscosity is not taken into account during the geometry modifications. The sensitivities are calculated in a mode independently of the shape parameterisation. The method is used to develop and evaluate conceptual shapes for nozzle hole cavitation reduction. The localized region at the hole inlet producing cavitation, is parameterised using its radius of curvature, while a cost function is formulated to eliminate the negative pressures present at this location. Sensitivity derivatives are used to assess the dependence of the localized region on the minimum pressure, and to drive the geometry to the targeted shape. The results show that the computer model can provide nozzle hole entry shapes that produce predefined flow characteristics, and thus can be used as an inverse design tool for nozzle hole cavitation control.
본 논문은 파동장의 심도방향으로의 외삽(extrapolation)을 사용한 중합전 데이터밍 기법을 소개한다. 데이터밍 알고리즘의 유도를 위해, 우선 평면에 정의되어 있는 파동장을 임의의 굴곡을 갖는 면으로 외삽을 수행하는 모델링 연산자를 대수학적으로 구한 후, 이러한 모델링 연산자와 어드조인트(adjoint)관계에 있는 연산자를 대수학적으로 구하여 데이터밍 연산자를 얻게된다. 본 논문에서 사용된 취합전 모델링 연산자는 이미 널리 쓰이고 있는 중합전 마이그레이션(prestack migration) 중의 하나인 survey sinking 방법의 모델링에 해당하는 double square root(DSR)식이 사용되었다.
A general formulation for shape design sensitivity analysis over three dimensional beam structure is developed based on a variational formulation of the beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived based on variational equations in cartesian coordinates using the material derivative concept and adjoint variable method for the displacement and Von-Mises stress functionals. Shape variation is considered for the beam shape in general 3-dimensional direction as well as for the orientation angle of the beam cross section. In the sensitivity expression, the end points evaluation at each beam segment is added to the integral formula, which are summed over the entire structure. The sensitivity formula can be evaluated with generality and ease even by employing piecewise linear design velocity field despite the bending model is fourth order differential equation. For the numerical implementation, commercial software ANSYS is used as analysis tool for the primal and adjoint analysis. Once the design variable set is defined using ANSYS language, shape and orientation variation vector at each node is generated by making finite difference to the shape with respect to each design parameter, and is used for the computation of sensitivity formula. Several numerical examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. The results are found excellent even by employing a simple linear function for the design velocity evaluation. Shape optimization is carried out for the geometric design of an archgrid and tilted bridge, which is to minimize maximum stress over the structure while maintaining constant weight. In conclusion, the proposed formulation is a useful and easy tool in finding optimum shape in a variety of the spatial frame structures.
A coupled variational equation for fluid-structure interaction (FSI) problems is derived from a steady state Navier-Stokes equation for incompressible Newtonian fluid and an equilibrium equation for geometrically nonlinear structures. For a fully coupled FSI formulation, between fluid and structures, a traction continuity condition is considered at interfaces where a no-slip condition is imposed. Under total Lagrange formulation in the structural domain, finite rotations are well described by using the second Piola-Kirchhoff stress and Green-Lagrange strain tensors. An adjoint shape design sensitivity analysis (DSA) method based on material derivative approach is applied to the FSI problem to develop a shape design optimization method. Demonstrating some numerical examples, the accuracy and efficiency of the developed DSA method is verified in comparison with finite difference sensitivity. Also, for the FSI problems, a shape design optimization is performed to obtain a maximal stiffness structure satisfying an allowable volume constraint.
This study investigates a nonlinear inverse convection problem for a laminar-forced convective flow between two parallel plates. The upper plate is exposed to unknown heat flux while the lower plate is insulated. The unknown heat flux is determined using temperature measured on the lower plate. The thermophysical properties of the fluid are temperature dependent, which renders the problem nonlinear. The sequential gradient method is applied to this nonlinear inverse problem in order to solve the problem efficiently. The function specification method is incorporated to stabilize the sequential estimation. The corresponding adjoint formalism is provided. Accuracy and stability have been examined for the proposed method with test cases. The tendency of deterministic error is investigated for several parameters. Stable solutions are achieved eve]1 with severely impaired measurement data.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제4권1호
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pp.45-52
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2003
A three-dimensional aerodynamic shape optimization technique in inviscid compressible flows is developed by using a parallel continuous adjoint formulation on unstructured meshes. A new surface mesh modification method is proposed to overcome difficulties related to patch-level remeshing for unstructured meshes, and the effect of design sections on aerodynamic shape optimization is examined. Applications are made to three-dimensional wave drag minimization problems including an ONERA M6 wing and the EGLIN wing-pylon-store configuration. The results show that the present method is robust and highly efficient for the shape optimization of aerodynamic configurations, independent of the number of design variables used.
A method of the shape design sensitivity analysis based on the boundary integral equation formulation is presented for two-dimensional inhomogeneous thermal conducting solids with multiple domains. Shape variation of the external and interface boundary is considered. A sensitivity formula of a general performance functional is derived by taking the material derivative to the boundary integral identity and by introducing an adjoint system. In numerical analysis, state variables of the primal and adjoint systems are solved by the boundary element method using quadratic elements. Two numerical examples of a compound cylinder and a thermal diffuser are taken to show implementation of the shape design sensitivity analysis. Accuracy of the present method is verified by comparing analyzed sensitivities with those by the finite difference. As application to the shape optimization, an optimal shape of the thermal diffuser is found by incorporating the sensitivity analysis algorithm in an optimization program.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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