본 논문에서는 풍력 발전기 블레이드 공력 설계 프로세스를 정립하고, 최적화 설계 전략을 제시 하였으며, 공력 설계 진행시에 반드시 검토 필요한 제약 조건들에 대해서 정리 하였다. 이를 토대로 하여 연구 목적뿐 아니라, 블레이드 설계자가 실제 업무에 쉽게 적용 가능하고, 초기 개념설계 단계부터 최종 3차원 형상 상세 설계 단계까지 통합적으로 수행이 가능한 BEMT 기반의 공력 설계 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램 AeroDA는 개념 설계 모듈, 기본 설계 모듈, 최적 TSR 도출 모듈, 국부 형상 최적화 모듈, 성능 해석 모듈, 설계 검증 모듈 및 3차원 형상생성 모듈로 구성이 된다. 개발된 프로그램을 활용하여 NREL에서 공개 배포한 5MW 블레이드를 기반으로하여 하중저감을 위한 개선 설계를 진행하여 본 프로그램이 최적화 설계에 유용하게 사용 가능함을 확인 하였다. 또한 10kW 블레이드 공력 설계 및 터빈 상세 성능 해석을 진행하고, 이를 상용 전문 프로그램 DNV GL Bladed 결과와 비교하여 정확도를 검증하였다.
Purpose of the present study is to develop a computational design program for shape optimization, combining the numerical optimization technique with the flow analysis code. The present methodology is then validated in three cases of aerodynamic shape optimization. In the numerical optimization, a feasible direction optimization algorithm and shape functions are considered. In the flow analysis, the Navier-Stokes equations are discretized by a cell-centered finite volume method, and Roe's flux difference splitting TVD scheme and ADI method are used. The developed design code is applied to a transonic channel flow over a bump, and an external flow over a NACA0012 airfoil to minimize the wave drag induced by shock waves. Also a separated subsonic flow over a NACA0024 airfoil is considered to determine a maximum allowable thickness of the airfoil without separation.
An aerodynamic optimization design process of multistage axial turbine is presented in this article: first, applying quasi-three dimensional(Q3D) design methods to conduct preliminary design and then adopting modern optimization design methods to implement multistage local optimization. Quasi-three dimensional(Q3D) design methods, which mainly refer to S2 flow surface direct problem calculation, adopt the S2 flow surface direct problem calculation program of Harbin Institute of Technology. Multistage local optimization adopts the software of Numeca/Design3D, which jointly adopts genetic algorithm and artificial neural network. The major principle of the methodology is that the successive design evaluation is performed by using an artificial neural network instead of a flow solver and the genetic algorithms may be used in an efficient way. Flow computation applies three-dimensional viscosity Navier Stokes(N-S) equation solver. Such optimization process has three features: (i) local optimization based on aerodynamic performance of every cascade; (ii) several times of optimizations being performed to every cascade; and (iii) alternate use of coarse grid and fine grid. Such process was applied to optimize a three-stage axial turbine. During the optimization, blade shape and meridional channel were respectively optimized. Through optimization, the total efficiency increased 1.3% and total power increased 2.4% while total flow rate only slightly changed. Therefore, the total performance was improved and the design objective was achieved. The preliminary design makes use of quasi-three dimensional(Q3D) design methods to achieve most reasonable parameter distribution so as to preliminarily enhance total performance. Then total performance will be further improved by adopting multistage local optimization design. Thus the design objective will be successfully achieved without huge expenditure of manpower and calculation time. Therefore, such optimization design process may be efficiently applied to the aerodynamic design optimization of multistage axial turbine.
Rectangular-to-Ellipse Shape Transition (REST) inlets are a class of inward turning inlets designed for hypersonic flight. The aerodynamic design of REST inlets involves very complex flows and shock-wave patterns. These inlets are used in highly integrated propulsive systems. Often the design of these inlets may require many geometrical constraints at different cross-section. In present work a design approach for hypersonic inward-turning inlets, adapted for REST inlets, is coupled with a multi-objective optimization procedure. The automated procedure iterates on the parametric representation and on the numerical solution of a base flow from which the REST inlet is generated by using streamline tracing and shape transition algorithms. The typical design problem of optimizing the total pressure recovery and mass flow capture of the inlet is solved by the proposed procedure. The accuracy of the optimal solutions found is discussed and the performances of the designed REST inlets are investigated by means of fully 3-D Euler and 3-D RANS analyses.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제2권2호
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pp.179-188
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2009
Recent development of high speed computers and use of optimization techniques have given a big momentum of turbomachinery design replacing expensive experimental cost as well as trial and error approaches. The surrogate based optimization techniques being used for aerodynamic turbomachinery designs coupled with Reynolds-averaged Navier-Stokes equations analysis involve single- and multi-objective optimization methods. The objectives commonly tried to improve were adiabatic efficiency, pressure ratio, weight etc. Presently coupling the fluid flow and structural analysis is being tried to find better design in terms of weight, flutter and vibration, and turbine life. The present article reviews the surrogate based optimization techniques used recently in turbomachinery shape optimizations.
The present paper is focused on analyzing a set of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation data on reducing orthogonal peak base moment coefficients on a high-rise rectangular building with wings. The study adopts an aerodynamic optimization procedure (AOP) composed of CFD, artificial neural network (ANN), and genetic algorithm (G.A.). A parametric study is primarily accomplished by altering the wing positions with 3D transient CFD analysis using k - ε turbulence models. The CFD technique is validated by taking up a wind tunnel test. The required design parameters are obtained at each design point and used for training ANN. The trained ANN models are used as surrogates to conduct optimization studies using G.A. Two single-objective optimizations are performed to minimize the peak base moment coefficients in the individual directions. An additional multiobjective optimization is implemented with the motivation of diminishing the two orthogonal peak base moments concurrently. Pareto-optimal solutions specifying the preferred building shapes are offered.
본 논문에서는 15,000 마력급 원심식 압축기 임펠러 블레이드에 대한 단방향 유체-구조 연성해석 및 응답표면법을 이용한 형상최적설계를 제시하였다. 임펠러 블레이드의 형상은 공력 성능에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 유체의 압력과 원심력에 의한 임펠러의 구조적 안전성에도 큰 영향을 미치므로 유체-구조 연성해석을 함께 고려한 형상최적설계가 필요한 분야이다. 본 논문에서 유체-구조 연성해석의 유체영역과 구조영역을 ANSYS CFX와 Mechanical을 사용하여 각각 해석하였다. 실험계획법을 기반으로 유체 및 구조해석 결과에 대한 응답표면을 생성하여 구조적 안전성 및 압축비를 제한조건으로 하고 임펠러의 효율을 최대화하는 임펠러 블레이드의 형상최적설계를 수행하였다.
본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 통해 회전체의 공력 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼 설계 후 단면에 유입되는 유동 조건을 예측하여 단면 형상 최적 설계를 수행하였다. 설계 과정에서 보다 면밀하게 유동 특성이 분석될 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면 형상이 설계된 후에는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 본 프레임워크를 1kW급 전기추진용 항공기 프로펠러 설계에 적용하여 그 유효성을 3차원 N-S 해석과 풍동 실험을 통해 검증하였다. 설계 후, 풍동 실험 결과를 기준으로 약 5%의 프로펠러 효율 증가를 얻을 수 있었다.
In preliminary design phase, the wing geometry of the civil aircraft was determined using the empirical equation and historical data. To make wing geometry more aerodynamically efficient, an aerodynamic shape optimization was conducted. For this purpose the parametric modeling, high fidelity CFD analysis and metamodel-based optimal design technique were adopted. The parametric modeling got the design process to achieve the improvement by generating the configuration outputs easily for the major design variables. The optimal design equations were formularized as the type of the multi-objective functions considering low/high speed and lift/drag coefficient. The optimal solution was explored with the help of the kriging metamodel and the desirability function, therefore the optimal wing planform was sought to be excellent at both low and high speed region. Additionally the optimal wing planform was validated that it was excellent not only at the specific AOA, but also all over the range of AOA.
Shape optimization of the 3-dimensional WIG airfoil with 3.0-aspect ratio has been performed by using the multi-objective genetic algorithm. The WIG ship effectively floating above the surface by the ram effect and the virtual additional aspect ratio by a ground is one of next-generation and cost-effective transportations. Unlike the airplane flying out of the ground effect, a WIG ship has possibility to capsize because of unsatisfying the static stability. The WIG ship should satisfy aerodynamic properties as well as a static stability. They tend to strong contradict and it is difficult to satisfy aerodynamic properties and static stability simultaneously. It is inevitable that lift force has to scarify to obtain a static stability. Multi-objective optimization technique that the individual objectives are considered separately instead of weighting can overcome the conflict. Due to handling individual objectives, the optimum cannot be unique but a set of nondominated potential solutions: pareto optimum. There are three objectives; lift coefficient, lift-to-drag ratio and static stability. After a few evolutions, the non-dominated pareto individuals can be obtained. Pareto sets are all the set of possible and excellent solution across the design space. At any selections of the pareto set, these are no better solutions in all design space
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[게시일 2004년 10월 1일]
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