Leichte SpracheAdjungierte Optimierungsmethoden in der Fluidsystemtechnik
links: 3D-Sandkern optimierte Geometrie (Quelle: Bosch Rexroth AG) rechts: Die direkte numerische Simulation der optimierten Geometrie zeigt die Dämpfung der dissipativen Moden (Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik)
Ziel dieses Projekts war die Erstellung eines umfassenden Open-Source-Softwarepakets für die diskret-adjungierte Formoptimierung multiphysikalischer Systeme. Die Strategie bestand darin, vorhandene Open-Source-Berechnungsprogramme zu nutzen und weiterzuentwickeln, um eine Software zu schaffen, die für multidisziplinäre Simulation und Formoptimierung geeignet ist. Schließlich sollte das Berechnungstool für die Formoptimierung mehrerer Testfälle mit relevanten technischen Anwendungen eingesetzt werden und eine experimentelle Validierung der Optimierungsergebnisse erfolgen.
Es wurden vier Open-Source-Softwarepakete parallel entwickelt und spezielle Schnittstellen zur Kopplung dieser Programme entworfen. SU2 wurde für Strömungs- und Wärmeübergangssimulationen, Sensitivitätsberechnungen und diskret-gelenkige Formoptimierungen mithilfe des Algorithmic Differentiation (AD) Pakets CoDiPack eingesetzt. KRATOS wurde für Struktursimulationen, knotenbasierte Formoptimierungen sowie für die Kopplung zwischen SU2 und Lifetime++ entwickelt. Lifetime++ wurde in diesem Projekt programmiert, um den Sicherheitsfaktor und die Lebensdauer von Strukturen unter zyklischer Belastung zu berechnen. Diese Programme wurden auf mehrere Testfälle für beschränkte, nicht beschränkte, ein- und mehrzielgerichtete Optimierungen unter Einbeziehung von Strömungs-, Struktur- und konjugierten Wärmeübertragungslösern angewendet. Parallel zu den Softwareentwicklungen und der Optimierung der Testfälle wurden drei experimentelle Prüfstände entworfen, um die Optimierungsergebnisse für Druckverlust, Sicherheitsfaktor und Temperaturverteilung zu validieren.
Dieses Projekt bietet eine umfassende und flexible Plattform für Multiphysik-Simulationen und multidisziplinäre Formoptimierungen. Als Ergebnis kann ein kompliziertes Optimierungsproblem mit Fluid-Struktur-Interaktion und konjugiertem Wärmeübergang bei relativ geringen Rechenkosten für benutzerdefinierte Zielfunktionen gelöst werden. Die in diesem Projekt durchgeführten experimentellen Untersuchungen geben einen Einblick in das Optimierungsverfahren aus physikalischer Sicht und belegen die Eignung der adjungierten Methode für einen breiten Bereich industrieller Anwendungen. Alle in diesem Projekt entwickelten Softwarepakete werden auf GitHub zur öffentlichen Nutzung zur Verfügung gestellt.
