numerical modeling of porous meshes using neural networks

The aim of the following thesis is to study through a numerical analysis the aerodynamic forces acting on three different types of porous meshes through a simplified numerical method that reduces the computational cost of the simulations. After a first theoretical part in which the flow and forces through porous elements are analyzed, a series of simulations are performed with meshes within the simulation domain using the open-source software Openfoam. This type of simulation is defined as explicit. Starting from the forces obtained from the explicit analyses, the Forchheimer loss coefficients due to porous geometries are estimated as a function of the angles of incidence. The functions that define the coefficients according to the direction of the flow were derived through neural networks. The neural networks were then inserted into the Openfoam code to obtain a modified version of "porousSimpleFoam". Using the new compiled program, numerical simulations were re-run for each of the meshes with the difference that the region where the geometry was previously present was replaced by a uniform volume that models the losses using the Forchheimer coefficients. This second type of simulation is called implicit and offers the possibility of reducing the computational cost of simulations. Finally, the forces obtained for the explicit, implicit methods and the analytical model derived from the functions of the neural network were compared.

Lo scopo della seguente tesi è quello di studiare tramite un’analisi numerica le forze aerodinamiche agenti su tre diverse tipologie di mesh porose tramite un metodo numerico semplificato che riduca il costo computazionale delle simulazioni. Dopo una prima parte teorica in cui sono analizzati il flusso e le forze attraverso elementi porosi, vengono eseguite una serie di simulazioni con le mesh all’interno del dominio di simulazione tramite il software Openfoam. Questa tipologia di simulazione è definita come esplicita. A partire dalle forze ricavate dalle analisi esplicite, vengono stimati i coefficienti di perdita di Forchheimer dovuti alle geometrie porose al variare degli angoli di incidenza. Le funzioni che definiscono i coefficienti in base alla direzione del flusso sono state ricavate tramite reti neurali. Le reti neurali sono state quindi inserite all’interno del codice Openfoam in modo da ottenere una versione modificata di “porousSimpleFoam”. Usando il nuovo programma compilato sono state rieseguite le simulazioni numeriche per ognuna delle mesh con la differenza che la regione dove prima era presente la geometria è stata sostituita da un volume uniforme che modella le perdite tramite i coefficienti di Forchheimer. Questa seconda tipologia di simulazione è chiamata implicita e offre la possibilità di ridurre il costo computazionale delle simulazioni. Infine, sono state confrontate le forze ottenute per i metodi esplicito, implicito e il modello analitico ottenuto a partire dalle funzioni della rete neurale.