Aerodynamic Optimization of the Nose Shape of a High-speed Train

La influencia de la aerodinámica en el diseño de los trenes de alta velocidad, unida a la necesidad de resolver nuevos problemas surgidos con el aumento de la velocidad de circulación y la reducción de peso del vehículo, hace evidente el interés de plantear un estudio de optimización que aborde tales puntos. En este contexto, se presenta en esta tesis la optimización aerodinámica del testero de un tren de alta velocidad, llevada a cabo mediante el uso de métodos de optimización avanzados. Entre estos métodos, se ha elegido aquí a los algoritmos genéticos y al método adjunto como las herramientas para llevar a cabo dicha optimización. La base conceptual, las características y la implementación de los mismos se detalla a lo largo de la tesis, permitiendo entender los motivos de su elección, y las consecuencias, en términos de ventajas y desventajas que cada uno de ellos implican. El uso de los algorimos genéticos implica a su vez la necesidad de una parametrización geométrica de los candidatos a óptimo y la generación de un modelo aproximado que complementa al método de optimización. Estos puntos se describen de modo particular en el primer bloque de la tesis, enfocada a la metodología seguida en este estudio. El segundo bloque se centra en la aplicación de los métodos a fin de optimizar el comportamiento aerodinámico del tren en distintos escenarios. Estos escenarios engloban los casos más comunes y también algunos de los más exigentes a los que hace frente un tren de alta velocidad: circulación en campo abierto con viento frontal o viento lateral, y entrada en túnel. Considerando el caso de viento frontal en campo abierto, los dos métodos han sido aplicados, permitiendo una comparación de las diferentes metodologías, así como el coste computacional asociado a cada uno, y la minimización de la resistencia aerodinámica conseguida en esa optimización. La posibilidad de evitar parametrizar la geometría y, por tanto, reducir el coste computacional del proceso de optimización es la característica más significativa de los métodos adjuntos, mientras que en el caso de los algoritmos genéticos se destaca la simplicidad y capacidad de encontrar un óptimo global en un espacio de diseño multi-modal o de resolver problemas multi-objetivo. El caso de viento lateral en campo abierto considera nuevamente los dos métoxi dos de optimización anteriores. La parametrización se ha simplificado en este estudio, lo que notablemente reduce el coste numérico de todo el estudio de optimización, a la vez que aún recoge las características geométricas más relevantes en un tren de alta velocidad. Este análisis ha permitido identificar y cuantificar la influencia de cada uno de los parámetros geométricos incluídos en la parametrización, y se ha observado que el diseño de la arista superior a barlovento es fundamental, siendo su influencia mayor que la longitud del testero o que la sección frontal del mismo. Finalmente, se ha considerado un escenario más a fin de validar estos métodos y su capacidad de encontrar un óptimo global. La entrada de un tren de alta velocidad en un túnel es uno de los casos más exigentes para un tren por el pico de sobrepresión generado, el cual afecta a la confortabilidad del pasajero, así como a la estabilidad del vehículo y al entorno próximo a la salida del túnel. Además de este problema, otro objetivo a minimizar es la resistencia aerodinámica, notablemente superior al caso de campo abierto. Este problema se resuelve usando algoritmos genéticos. Dicho método permite obtener un frente de Pareto donde se incluyen el conjunto de óptimos que minimizan ambos objetivos. ABSTRACT Aerodynamic design of trains influences several aspects of high-speed trains performance in a very significant level. In this situation, considering also that new aerodynamic problems have arisen due to the increase of the cruise speed and lightness of the vehicle, it is evident the necessity of proposing an optimization study concerning the train aerodynamics. Thus, the aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train is presented in this thesis. This optimization is based on advanced optimization methods. Among these methods, genetic algorithms and the adjoint method have been selected. A theoretical description of their bases, the characteristics and the implementation of each method is detailed in this thesis. This introduction permits understanding the causes of their selection, and the advantages and drawbacks of their application. The genetic algorithms requirethe geometrical parameterization of any optimal candidate and the generation of a metamodel or surrogate model that complete the optimization process. These points are addressed with a special attention in the first block of the thesis, focused on the methodology considered in this study. The second block is referred to the use of these methods with the purpose of optimizing the aerodynamic performance of a high-speed train in several scenarios. These scenarios englobe the most representative operating conditions of high-speed trains, and also some of the most exigent train aerodynamic problems: front wind and cross-wind situations in open air, and the entrance of a high-speed train in a tunnel. The genetic algorithms and the adjoint method have been applied in the minimization of the aerodynamic drag on the train with front wind in open air. The comparison of these methods allows to evaluate the methdology and computational cost of each one, as well as the resulting minimization of the aerodynamic drag. Simplicity and robustness, the straightforward realization of a multi-objective optimization, and the capability of searching a global optimum are the main attributes of genetic algorithm. However, the requirement of geometrically parameterize any optimal candidate is a significant drawback that is avoided with the use of the adjoint method. This independence of the number of design variables leads to a relevant reduction of the pre-processing and computational cost. Considering the cross-wind stability, both methods are used again for the minimization of the side force. In this case, a simplification of the geometric parameterization of the train nose is adopted, what dramatically reduces the computational cost of the optimization process. Nevertheless, some of the most important geometrical characteristics are still described with this simplified parameterization. This analysis identifies and quantifies the influence of each design variable on the side force on the train. It is observed that the A-pillar roundness is the most demanding design parameter, with a more important effect than the nose length or the train cross-section area. Finally, a third scenario is considered for the validation of these methods in the aerodynamic optimization of a high-speed train. The entrance of a train in a tunnel is one of the most exigent train aerodynamic problems. The aerodynamic consequences of high-speed trains running in a tunnel are basically resumed in two correlated phenomena, the generation of pressure waves and an increase in aerodynamic drag. This multi-objective optimization problem is solved with genetic algorithms. The result is a Pareto front where a set of optimal solutions that minimize both objectives.

NURBS-Based Geometry Parameterization for Aerodynamic Shape Optimization

La motivación de esta tesis es el desarrollo de una herramienta de optimización automática para la mejora del rendimiento de formas aerodinámicas enfocado en la industria aeronáutica. Este trabajo cubre varios aspectos esenciales, desde el empleo de Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), al cálculo de gradientes utilizando la metodología del adjunto continuo, el uso de b-splines volumétricas como parámetros de diseño, el tratamiento de la malla en las intersecciones, y no menos importante, la adaptación de los algoritmos de la dinámica de fluidos computacional (CFD) en arquitecturas hardware de alto paralelismo, como las tarjetas gráficas, para acelerar el proceso de optimización. La metodología adjunta ha posibilitado que los métodos de optimización basados en gradientes sean una alternativa prometedora para la mejora de la eficiencia aerodinámica de los aviones. La formulación del adjunto permite calcular los gradientes de una función de coste, como la resistencia aerodinámica o la sustentación, independientemente del número de variables de diseño, a un coste computacional equivalente a una simulación CFD. Sin embargo, existen problemas prácticos que han imposibilitado su aplicación en la industria, que se pueden resumir en: integrabilidad, rendimiento computacional y robustez de la solución adjunta. Este trabajo aborda estas contrariedades y las analiza en casos prácticos. Como resumen, las contribuciones de esta tesis son: • El uso de NURBS como variables de diseño en un bucle de automático de optimización, aplicado a la mejora del rendimiento aerodinámico de alas en régimen transónico. • El desarrollo de algoritmos de inversión de punto, para calcular las coordenadas paramétricas de las coordenadas espaciales, para ligar los vértices de malla a las NURBS. • El uso y validación de la formulación adjunta para el calculo de los gradientes, a partir de las sensibilidades de la solución adjunta, comparado con diferencias finitas. • Se ofrece una estrategia para utilizar la geometría CAD, en forma de parches NURBS, para tratar las intersecciones, como el ala-fuselaje. • No existen muchas alternativas de librerías NURBS viables. En este trabajo se ha desarrollado una librería, DOMINO NURBS, y se ofrece a la comunidad como código libre y abierto. • También se ha implementado un código CFD en tarjeta gráfica, para realizar una valoración de cómo se puede adaptar un código sobre malla no estructurada a arquitecturas paralelas. • Finalmente, se propone una metodología, basada en la función de Green, como una forma eficiente de paralelizar simulaciones numéricas. Esta tesis ha sido apoyada por las actividades realizadas por el Área de Dinámica da Fluidos del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), a través de numerosos proyectos de financiación nacional: DOMINO, SIMUMAT, y CORESFMULAERO. También ha estado en consonancia con las actividades realizadas por el departamento de Métodos y Herramientas de Airbus España y con el grupo Investigación y Tecnología Aeronáutica Europeo (GARTEUR), AG/52. ABSTRACT The motivation of this work is the development of an automatic optimization strategy for large scale shape optimization problems that arise in the aeronautics industry to improve the aerodynamic performance; covering several aspects from the use of Non-Uniform Rational B-Splines (NURBS), the calculation of the gradients with the continuous adjoint formulation, the development of volumetric b-splines parameterization, mesh adaptation and intersection handling, to the adaptation of Computational Fluid Dynamics (CFD) algorithms to take advantage of highly parallel architectures in order to speed up the optimization process. With the development of the adjoint formulation, gradient-based methods for aerodynamic optimization become a promising approach to improve the aerodynamic performance of aircraft designs. The adjoint methodology allows the evaluation the gradients to all design variables of a cost function, such as drag or lift, at the equivalent cost of more or less one CFD simulation. However, some practical problems have been delaying its full implementation to the industry, which can be summarized as: integrability, computer performance, and adjoint robustness. This work tackles some of these issues and analyse them in well-known test cases. As summary, the contributions comprises: • The employment of NURBS as design variables in an automatic optimization loop for the improvement of the aerodynamic performance of aircraft wings in transonic regimen. • The development of point inversion algorithms to calculate the NURBS parametric coordinates from the space coordinates, to link with the computational grid vertex. • The use and validation of the adjoint formulation to calculate the gradients from the surface sensitivities in an automatic optimization loop and evaluate its reliability, compared with finite differences. • This work proposes some algorithms that take advantage of the underlying CAD geometry description, in the form of NURBS patches, to handle intersections and mesh adaptations. • There are not many usable libraries for NURBS available. In this work an open source library DOMINO NURBS has been developed and is offered to the community as free, open source code. • The implementation of a transonic CFD solver from scratch in a graphic card, for an assessment of the implementability of conventional CFD solvers for unstructured grids to highly parallel architectures. • Finally, this research proposes the use of the Green's function as an efficient paralellization scheme of numerical solvers. The presented work has been supported by the activities carried out at the Fluid Dynamics branch of the National Institute for Aerospace Technology (INTA) through national founding research projects: DOMINO, SIMUMAT, and CORESIMULAERO; in line with the activities carried out by the Methods and Tools and Flight Physics department at Airbus and the Group for Aeronautical Research and Technology in Europe (GARTEUR) action group AG/52.