Application and model calibration of CFD automatic shape optimization techniques

For complex engineering systems, relatively small design changes can sometimes lead to significant benefits. However, these small changes are unlikely to be discovered by trial and error methods, so the implementation of automatic optimization techniques can be the key for shortening and improving the development process. The optimization methods can be divided into three main categories: Shape Optimization, Parametric Optimization with Design of Experiments (DOE) and Topology Optimization. Depending on the problem under analysis the most suitable technique between them can be selected. The first two methods, indeed, require an initial geometry to be modified during the optimization, therefore the pool of possible solutions is limited and they are better suited to refine previous optimized solutions obtained by other methods. The topology optimization instead determines the new design starting from a given design space and consequently it's better suited to the development process. After a description of all the methods, their capacities and limitations will be exploited with a simple geometry represented by a bending pipe. Usually, the available space in the engine case for the piping is limited, therefore there is the need of bendings, which cause pressure losses. Moreover, it may happen that right after the bending there is a component, like an heat exchanger or a catalyst, which requires the inflow to be as uniform as possible. A non-uniform flow generates pressure gradients which may cause a serious damage of the porous component. Therefore, predicted flow uniformity relates directly to utilization rate and durability of the component and the shape optimization of the pipes can be a key factor in the reduction of the aforementioned problems.

Nel corso della progettazione di un sistema ingegneristico complesso, piccole variazioni nel design possono comportare in alcuni casi benefici significativi. Tuttavia, queste piccole variazioni sono difficili da ottenere procedendo per tentativi, per cui l'utilizzo di tecniche automatiche di ottimizzazione può rappresentare la chiave per rendere la progettazione di un componente rapida ed efficiente. I metodi di ottimizzazione possono essere divisi in tre categorie: ottimizzazione di forma, ottimizzazione parametrica tramite il Design of Experiments e ottimizzazione topologica. Tra queste la tecnica più conveniente per il problema considerato viene selezionata. Infatti i primi due metodi citati richiedono una geometria iniziale la quale viene poi modificata durante il processo di ottimizzazione, per cui le soluzioni possibili sono limitate dipendendo dalla forma iniziale. Di conseguenza l'ottimizzazione di forma e quella parametrica tramite il Design of Experiments sono più adatte a rifinire geometrie già ottimizzate con altre tecniche. L'ottimizzazione topologica invece genera un design completamente nuovo partendo da un dato spazio di progetto, il che la rende ideale per le fasi iniziali di progettazione. Dopo aver descritto i vari metodi di ottimizzazione, le loro potenzialità e limitazioni verranno analizzate tramite la loro applicazione ad una geometria semplice costituita da un condotto curvato. Generalmente, lo spazio disponibile per i condotti all'interno di un motore è limitato e quindi è necessario introdurre delle curvature le quali generano delle perdite di pressione. Inoltre può accadere che subito dopo la curva sia presente un componente, come uno scambiatore di calore o un tubo catalitico, il quale richiede che il flusso in ingresso sia il più uniforme possibile. Infatti un flusso non uniforme genera dei gradienti di pressione che potrebbero causare seri danni al componente. Conseguentemente l'uniformità del flusso è collegata direttamente al tasso di utilizzo e alla durabilità del componente e l'ottimizzazione della forma può rappresentare un punto chiave per la riduzione dei problemi sopra descritti.