International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.10
no.3
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pp.240-253
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2017
Latin hypercube sampling is widely used design-of-experiment technique to select design points for simulation which are then used to construct a surrogate model. The exploration/exploitation properties of surrogate models depend on the size and distribution of design points in the chosen design space. The present study aimed at evaluating the performance characteristics of various surrogate models depending on the Latin hypercube sampling (LHS) procedure (sample size and spatial distribution) for a diverse set of optimization problems. The analysis was carried out for two types of problems: (1) thermal-fluid design problems (optimizations of convergent-divergent micromixer coupled with pulsatile flow and boot-shaped ribs), and (2) analytical test functions (six-hump camel back, Branin-Hoo, Hartman 3, and Hartman 6 functions). The three surrogate models, namely, response surface approximation, Kriging, and radial basis neural networks were tested. The important findings are illustrated using Box-plots. The surrogate models were analyzed in terms of global exploration (accuracy over the domain space) and local exploitation (ease of finding the global optimum point). Radial basis neural networks showed the best overall performance in global exploration characteristics as well as tendency to find the approximate optimal solution for the majority of tested problems. To build a surrogate model, it is recommended to use an initial sample size equal to 15 times the number of design variables. The study will provide useful guidelines on the effect of initial sample size and distribution on surrogate construction and subsequent optimization using LHS sampling plan.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.21
no.3
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pp.74-81
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2013
Due to its accuracy and efficiency, reduced kinetic mechanism of diesel surrogate is widely used as fuel model when applying 3-D diesel engine simulation. But for the well-developed prediction of diesel surrogate reduced kinetic mechanism, it is important to know some meaningful factors which affect to ignition delay time. Meanwhile, ignition delay time consists of two parts. One is the chemical ignition delay time related with the chemical reaction, and the other is the physical ignition delay time which is affected by physical behavior of the fuel droplet. Especially for chemical ignition delay time, chemical properties of each fuel were studied for a long time, but researches on their mixtures have not been done widely. So it is necessary to understand the chemical characteristics of their mixtures for more precise and detailed modeling of surrogate diesel oil. And it shows same ignition trend of paraffin mixture with those of single component, and shorter ignition delay at low/high initial temperature when mixing paraffin and toluene.
Chaoyong Zong;Maolin Shi;Qingye Li;Fuwen Liu;Weihao Zhou;Xueguan Song
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.11
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pp.4181-4194
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2022
Main steam safety valves are commonly used in nuclear power plants to provide final protections from overpressure events. Blowdown and dynamic stability are two critical characteristics of safety valves. However, due to the parameter sensitivity and multi-parameter features of safety valves, using traditional method to design and/or optimize them is generally difficult and/or inefficient. To overcome these problems, a surrogate model-based valve design optimization is carried out in this study, of particular interest are methods of valve surrogate modeling, valve parameters global sensitivity analysis and valve performance optimization. To construct the surrogate model, Design of Experiments (DoE) and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations of the safety valve were performed successively, thereby an ensemble surrogate model (E-AHF) was built for valve blowdown and stability predictions. With the developed E-AHF model, global sensitivity analysis (GSA) on the valve parameters was performed, thereby five primary parameters that affect valve performance were identified. Finally, the k-sigma method is used to conduct the robust optimization on the valve. After optimization, the valve remains stable, the minimum blowdown of the safety valve is reduced greatly from 13.30% to 2.70%, and the corresponding variance is reduced from 1.04 to 0.65 as well, confirming the feasibility and effectiveness of the optimization method proposed in this paper.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.42
no.2
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pp.108-118
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2014
On the optimization design problem using surrogate model, it requires considerable number of sampling points to construct a surrogate model which retains the accuracy. As an alternative to reduce construction cost of the surrogate model, Variable-Fidelity Modeling(VFM) technique, where correct high fidelity model based on the low fidelity surrogate model is introduced. In this study, hierarchical kriging model for variable-fidelity surrogate modeling is used and an optimization framework with multi-objective genetic algorithm(MOGA) is presented. To prove the feasibility of this framework, airfoil design optimization process is performed for the transonic region. The parameters of PARSEC are used to design variables and the optimization process is performed in case of varying number of grid and varying fidelity. The results showed that pareto front of all variable-fidelity models are similar with its single-level of fidelity model and calculation time is considerably reduced. Based on computational results, it is shown that VFM is a more efficient way and has an accuracy as high as that single-level of fidelity model optimization.
A pressurized vessel-pipe-safety valve (PVPSV) combination is a commonly used configuration in nuclear power plants, and a good numerical model is essential for the system design, sizing and performance optimization. However, owing to the large-scale and cross-scale features, it is still a challenge to build a system level numerical model with both high accuracy and efficiency. To overcome this, a novel system level modeling method which can synthesize the advantages of various models is proposed in this paper. For system modeling, the analytical approach, the method of characteristics (MOC) and the surrogate model approach are respectively adopted to predict the dynamics of the pressure vessel, the connecting pipe and the safety valve, and different models are connected through data interfaces. With this system model, dynamic simulations were carried out and both the stable and the unstable system responses were obtained. For the model verification purpose, the simulation results were compared with those obtained from experiments and full CFD simulations. A good agreement and a better efficiency were obtained, verifying the ability of the model and the feasibility of the modeling method proposed in this paper.
Shape optimization of an internal cooling passage with staggered dimples on single surface is performed and performances of surrogates are evaluated in this paper. Optimizations are performed so that turbulent heat transfer can be enhanced compromising with pressure loss due to friction. The three-dimensional governing differential equations have been solved to find the overall Nusselt number and friction factor which are related to the objective functions of this problem. Three design variables were selected among the dimensionless geometric variables. Basic surrogate models such as second order polynomial response surface approximation (RSA), Kriging meta-modeling technique, radial basis neural network (RBNN), and derived press based averaged (PBA) surrogate model are constructed. The optimal points are searched from the above constructed surrogates by sequential quadratic programming (SQP). It is shown that use of multiple surrogates can increase the robustness in prediction of better design with minimum computational cost.
Inlet part of a printed circuit heat exchanger has been optimized by using three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes analysis and surrogate modeling techniques. Kriging model has been used as the surrogate model. The objective function for the optimization has been defined as a linear combination of uniformity of mass flow rate and the pressure loss with a weighting factor. For the optimization, the angle of the inlet plenum wall, radius of curvature of the inlet plenum wall, and width of the inlet pipes have been selected as design variables. Twenty six design points are obtained by Latin Hypercube Sampling in design space. Through the optimization, considerable improvement in the objective function has been obtained in comparison with the reference design of PCHE.
Shape optimization of an upper plenum of PBMR type gas cooled nuclear reactor has been performed by using three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) analysis and surrogate modeling technique. The objective function is defined as a linear combination of uniformity of flow distribution in the core and pressure drop in the upper plenum and the core. The ratio of thickness of slot to diameter of rising channels, ratio of height of upper plenum to diameter of rising channels, and ratio of eight of the slot at inlet to outlet, are used as design variables for optimization. Design points are selected through Latin-hypercube sampling. The optimal point is determined through surrogate-based optimization method which uses 3-D RANS analyses at design points. The results show that the optimum shape represent remarkably improved performance in flow uniformity and friction loss than the reference shape.
Shape optimization of an upper plenum of a PBMR type gas cooled nuclear reactor has been performed by using three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) analysis and surrogate modeling technique. The objective function is defined as a linear combination of uniformity of flow distribution in the core and pressure drop in the upper plenum and the core. The ratio of thickness of slot to diameter of rising channels, ratio of height of upper plenum to diameter of rising channels, and ratio of height of the slot at inlet to outlet, are used as design variables for optimization. Design points are selected through Latin-hypercube sampling. The optimal point is determined through surrogate-based optimization method which uses 3-D RANS analyses at design points. The results show that the optimum shape represent remarkably improved performance in flow uniformity and friction loss than the reference shape.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.4
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pp.313-324
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2016
Surrogate model based shape optimization methodology to enhance performance of a centrifugal pump has been implemented in this work. Design variables, such as blade number and blade angles defining the pump impeller blade shape were selected and a three-level full factorial design approach was used for efficiency enhancement. A three-dimensional simulation using Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) equations for the performance analysis was carried out after designing the geometries of the impellers at the design points. Standard $k-{\varepsilon}$ turbulence model was used for steady incompressible flow simulations. The optimized impeller incurred lower losses by shifting the trailing edge towards the impeller pressure side. It is observed that the surrogates are problem dependent and most accurate surrogate does not deliver the best design always.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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