Multi-objective topology optimization with application to MSFR

In the last decades topology optimization is playing an increasing important role in the industrial design approach for different applications including structural mechanics, civil engineering, architecture and fluid mechanics especially in connection with aerospace applications. This thesis work was aimed at improving the studies regarding Multiphysics topology optimization of systems governed by fluid flow and heat transfer including cooling devices and nuclear applications. Two different CFD software were used in the investigation of the optimization methods. First, with the well-established COMSOL Multiphysics optimization module, topology optimization gradient based algorithms were studied with 2D benchmarks. Then, a 3D cooling system governed by forced convection was considered. Topology optimization succeeded in defining a new shape for the heat transfer fin with improved cooling capabilities. The COMSOL results represented the starting point for the development of an open source optimization solver in OpenFOAM for flows including heat transfer based on the adjoint approach. This approach led to promising results characterized by lower computational cost but higher residuals which underlined the need of further validation tests. In the final part of the present work, the EVOL geometry of the Molten Salt Fast Reactor (MSFR) was subject to topology optimization aimed at minimizing the temperature gradient and pressure drops inside the reactor. The results showed impressive results regarding the improvement of the system operative conditions.

Nell’ultimo decennio l’ottimizzazione topologica sta ricoprendo un ruolo sempre più importante nell’approccio al design industriale per diverse applicazioni riguardanti la meccanica strutturale, ingegneria civile, architettura e meccanica dei fluidi soprattutto in connessione ad applicazioni aerospaziali. Questa lavoro è finalizzato al miglioramento degli studi riguardanti l’ottimizzazione topologica di sistemi multifisici governati da fluidodinamica e scambio termico includendo applicazioni nucleari e sistemi di raffreddamento. I metodi di ottimizzazione topologica vennero studiati attraverso l’uso di due software di fluidodinamica computazionale. Inizialmente, attraverso il modulo di ottimizzazione di COMSOL Multiphysics, gli algoritmi di ottimizzazione basati sul gradiente vennero studiati con benchmark 2D. Successivamente venne considerato un sistema di raffreddamento 3D governato da convezione forzata. L’ottimizzazione si dimostrò un efficacie strumento per la definizione di un aletta per lo scambio termico con capacità di raffreddamento migliori rispetto ad un aletta rettangolare tradizionale. I risultati ottenuti su COMSOL Multiphysics rappresentarono il punto di partenza per lo sviluppo di un solver open-source su OpenFOAM basato sull’approccio degli aggiunti per sistemi fluidodinamici con scambio termico. Questo nuovo approccio condusse a risultati promettenti caratterizzati da un costo computazionale più basso ma residui più alti che inducono la necessità di simulazioni di validazioni successive per una migliore analisi dei risultati. Nella parte finale del presente lavoro, l’analisi di ottimizzazione topologica venne applicata al geometria EVOL del Molten Salt Fast Reactor (MSFR) al fine di minimizzare il gradiente di temperatura e le cadute di pressione all’interno del reattore. I risultati mostrarono enormi miglioramenti per quanto riguarda le condizioni operative del sistema.