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One-shot methods for aerodynamic shape optimization = One-Shot-Verfahren in der aerodynamischen Formoptimierung



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Emre Özkaya

ImpressumAachen 2014

Umfang171 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-08-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51538
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444660/files/5153.pdf

Einrichtungen

  1. Fachgruppe Mathematik (110000)
  2. Lehr- und Forschungsgebiet Mathematik, insb. Computational Mathematics (N.N.) (115120)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Optimierung (Genormte SW) ; Partielle Differentialgleichung (Genormte SW) ; Mathematik (frei) ; aerodynamic shape optimization (frei) ; optimization with PDEs (frei) ; automatic differentiation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 510
msc: 90C30

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation befasst sich mit der aerodynamischen Formoptimierung anhand des One-Shot-Verfahrens, welches bei der Durchführung des Simulationsprozesses auf ein gleichzeitiges Erreichen der Optimalitätsbedingungen abzielt. Kombiniert mit der diskreten Adjungiertenmethode ermöglicht das One-Shot- Verfahren die Durchführung einer Formoptimierung mit einem Rechenaufwand, der nur ein kleines Vielfaches der Zeit für die einzelnen Strömungssimulation benötigt. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst Präkonditionierungstechniken und Bedingungen untersucht, die die Kontraktivität der gekoppelten One-Shot Iteration sichern. Eine Analyse zur Quantifizierung der Verzögerungsrate, welche die Rechenaufwandsteigerung der Gesamtoptimierung im Hinblick auf einzelne Simulationen misst, wird dargestellt. Im Anschluss werden implementatorische Aspekte der aerodynamischen Entwurfs- und Optimierungskette und ein Überblick über allgemeine Parametrisierungstechniken geliefert. Verschiedene Methoden zur Berechnung der Sensitivitäten in Bezug auf Genauigkeit, Rechenaufwand und Robustheit werden untersucht und bewertet. Insbesondere die auf Automatischem Differenzieren (AD) basierende konsistente diskrete Adjungiertenmethode zeichnet sich durch Robustheit und Flexibilität aus und ermöglicht die exakte Berechnung der Sensitivitäten zu einem festen Rechenaufwand unabhängig von der Anzahl der Entwurfsparameter. Die Anwendung dieser Strategie sowie dafür eingesetzte AD-Techniken werden im Detail diskutiert. Darüber hinaus werden Strategien eingeführt und diskutiert, die die Laufzeit und den Speicherbedarf des adjungierten Lösers reduzieren. Im letzten Teil der Arbeit werden zunächst Validierungsergebnisse der entwickelten adjungierten Euler und Navier-Stokes Löser vorgestellt. Laufzeit- und Speicherbedarfmessungen für unterschiedliche Gitterstufen unterstreichen dabei die Effizienz der gewählten Methode. Anschließend werden Ergebnisse, die durch Anwendung des One-Shot-Verfahrens auf drei unterschiedliche Profiloptimierungsszenarien erzielt wurden, vorgestellt. Eine Vergleichsstudie zwischen der One-Shot Methode und einem klassischen Quasi-Newton-Verfahren wird durchgeführt, wobei Laufzeitmessungen die Effizienz des One-Shot-Verfahrens nachweisen.

This thesis is concerned with the aerodynamic shape optimization based on the one-shot strategy, which aims at performing an optimization simultaneously with the simulation process. Combined with the consistent discrete adjoint method based on Automatic Differentiation (AD), one-shot methods enable performing a shape optimization at a small multiple of the time required for a single flow simulation. In the present work, we first investigate the preconditioning techniques and constructive conditions that are required to satisfy the contractivity of the coupled one-shot iterations. Further, an analysis concerning the quantification of the retardation rate, which is an indication of the computational cost of the overall optimization compared to a single flow simulation, is presented. We also discuss the implementation aspects concerning the aerodynamic design and optimization chains, and present a review of the shape parameterization techniques commonly used in aerodynamic shape optimization. An assessment of the most common sensitivity evaluation methods with respect to accuracy, computational cost and robustness is performed. Among all the methods, AD based consistent discrete adjoint method is the most robust and flexible method, which enables computing accurate sensitivity information at a fixed computation cost independent of the number of design parameters used in the optimization. The application of this strategy as well as the AD techniques to generate adjoint solvers from the in-house state equation solvers are discussed in detail. Furthermore, advanced techniques to improve the computational performance are introduced. In the last section, first validation results obtained from the developed adjoint Euler and Navier-Stokes solvers are presented. The run-time and memory requirements of the adjoint solvers using different grid levels are provided to demonstrate the efficiency of the chosen adjoint methodology. Then, optimization results that are obtained by applying the one-shot method to three different airfoil optimization scenarios are presented. Furthermore, a comparison between the one-shot method and the nested quasi-Newton method is performed using one of the test cases. The run-time measurements are presented to prove the efficiency of the one-shot method.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-145074
Datensatz-ID: 444660

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Mathematics
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
110000
115120

 Record created 2014-12-09, last modified 2022-04-22


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