Adjoint shape optimization: cavitation reduction for hydrofoils

In this thesis, the problem of cavitation reduction is addressed through shape optimization using the adjoint method. The target is to design an optimized hydrofoil that minimizes the possibility of having cavitation effects under specific flow conditions. Indeed, cavitation is an undesirable phenomenon that occurs when the local pressure on a hydrodynamic surface drops below the vapor pressure of water, generating vapor bubbles that can cause structural damage and reduce aerodynamic efficiency. The SU2 finite volume solver is adopted to simulate the flow around the hydrofoil and compute the cavitation phenomenon. The discrete adjoint method is applied to compute the objective gradient with respect to the design variables, guiding the optimization towards the most suitable shape for cavitation reduction. The sensitivity verification was performed on a 2D profile. The cavitation optimization was carried out on a real 3D hydrofoil of the PoliMi Sailing Team moth.

In questa tesi, il problema della riduzione della cavitazione viene affrontato attraverso l'ottimizzazione della forma utilizzando il metodo dell'aggiunto. L'obiettivo è progettare un'ala idrodinamica ottimizzata che minimizzi la possibilità di avere effetti di cavitazione in specifiche condizioni di flusso. Infatti, la cavitazione è un fenomeno indesiderato che si verifica quando la pressione locale su una superficie idrodinamica scende al di sotto della pressione di vapore dell'acqua, generando bolle di vapore che possono causare danni strutturali e ridurre l'efficienza aerodinamica. Il solver a volume finito SU2 viene adottato per simulare il flusso attorno all'ala idrodinamica e calcolare il fenomeno di cavitazione. Il metodo dell'aggiunto discreto viene applicato per calcolare il gradiente della funzione obiettivo rispetto alle variabili di progettazione, guidando l'ottimizzazione verso la forma più adatta per la riduzione della cavitazione. La verifica di sensitività è stata eseguita su un profilo bidimensionale. L'ottimizzazione della cavitazione è stata condotta su un'ala idrodinamica tridimensionale progettata per il moth del PoliMi Sailing Team.