Coupled CFD Shape Optimization for aerodynamic profiles

The present document deals with the optimization of shape of aerodynamic profiles -- The objective is to reduce the drag coefficient on a given profile without penalising the lift coefficient -- A set of control points defining the geometry are passed and parameterized as a B-Spline curve -- These points are modified automatically by means of CFD analysis -- A given shape is defined by an user and a valid volumetric CFD domain is constructed from this planar data and a set of user-defined parameters -- The construction process involves the usage of 2D and 3D meshing algorithms that were coupled into own- code -- The volume of air surrounding the airfoil and mesh quality are also parametrically defined -- Some standard NACA profiles were used by obtaining first its control points in order to test the algorithm -- Navier-Stokes equations were solved for turbulent, steady-state ow of compressible uids using the k-epsilon model and SIMPLE algorithm -- In order to obtain data for the optimization process an utility to extract drag and lift data from the CFD simulation was added -- After a simulation is run drag and lift data are passed to the optimization process -- A gradient-based method using the steepest descent was implemented in order to define the magnitude and direction of the displacement of each control point -- The control points and other parameters defined as the design variables are iteratively modified in order to achieve an optimum -- Preliminary results on conceptual examples show a decrease in drag and a change in geometry that obeys to aerodynamic behavior principles

Performance assessment of a vertical axis turbine in a marine current flume tank and CFD modelling

As advances in numerical modelling techniques support the increased confidence in predictions from computer simulations, the need remains to have experimental verification built into the design process. This paper outlines the experimental investigation carried out on a shielded vertical axis turbine in a marine environment. The experiments consist of performance measurements and the use of particle image velocimetry on a small scale device in a marine current flume. The results demonstrate that the performance of the device can be modelled numerically; in particular, the results show that the numerical model used can correctly predict the increase in performance with Reynolds number.

Flo/Stress: An integrated stress solver for the CFD tool

Abstract not available

Airframe sound simulation based on staggered-grid higher order schemes and finite volume CFD methods

Abstract not available

A non-conventional five piston double.-acting Stirling Engine filling system CFD simulation and experimental validation

Análisis mediante CFD y validación experimental de un sistema de carga para un motor Stirling. Validado y analizado experimentalmente en un motor de 5 pistones de doble acción.

Experimentally and coupled CFD/CSD assisted structural and aeroelastic modelling of the Javelin UAV outboard wing section

This study presents the procedure followed to make a prediction of the critical flutter speed for a composite UAV wing. At the beginning of the study, there was no information available on the materials used for the construction of the wing, and the wing internal structure was unknown. Ground vibration tests were performed in order to detect the structure’s natural frequencies and mode shapes. From tests, it was found that the wing possesses a high stiffness, presenting well separated first bending and torsional natural frequencies. Two finite element models were developed and matched to experimental results. It has been necessary to introduce some assumptions, due to the uncertainties regarding the structure. The matching process was based on natural frequencies’ sensitivity with respect to a change in the mechanical properties of the materials. Once experimental results were met, average material properties were also found. Aerodynamic coefficients for the wing were obtained by means of a CFD software. The same analysis was also conducted when the wing is deformed in its first four mode shapes. A first approximation for flutter critical speed was made with the classical V - g technique. Finally, wing’s aeroelastic behavior was simulated using a coupled CFD/CSD method, obtaining a more accurate flutter prediction. The CSD solver is based on the time integration of modal dynamic equations, requiring the extraction of mode shapes from the previously performed finite-element analysis. Results show that flutter onset is not a risk for the UAV, occurring at velocities well beyond its operative range.

Practical issues in the optimization of CFD based engineering problems

Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik, Dissertation, 2016

Étude Numérique d'identification des sources acoustiques d'une pale de ventilateur

Dans les turbomachines, le bruit du volume tournant est considéré comme une source majeure d’inconfort. La connaissance et l’identification des sources de bruit du rotor sont primordiales pour la conception d’une machine silencieuse et énergétiquement plus efficace. Ce document examine la capacité à la fois de la décomposition orthogonale aux valeurs (POD) et la décomposition aux valeurs singulières (SVD) à identifier les zones sur la surface d’une source (pale de ventilateur) fixe ou en mouvement subsonique qui contribuent le plus à la puissance acoustique rayonnée. La méthode de calcul de la dynamique des fluides (CFD) du code source OpenFoam est utilisée comme une première étape pour évaluer le champ de pression à la surface de la pale en mouvement subsonique. Les fluctuations de ce champ de pression permettent d’estimer à la fois le bruit de charge et la puissance sonore qui est rayonnée par la pale basée sur l’analogie acoustique de Ffowcs Williams et Hawkings (FW&H). Dans une deuxième étape, le bruit de charge estimé est également utilisé tant pour les approches POD et SVD. On remarque que la puissance sonore reconstruite par les deux dernières approches en se fondant uniquement sur les modes acoustiques les plus importants est similaire à celle prédite par l’analogie de FW&H. De plus, les modes les plus rayonnants estimés par la méthode SVD sont projetés sur la surface de la pale, mettant ainsi en évidence leurs emplacements. Il est alors prévu que cette identification soit utilisée comme guide pour l’ingénieur dans la conception d’une roue moins bruyante.

Analisi degli effetti dell’iniezione d’acqua mediante simulazione CFD in un motore GDI ad alta potenza specifica

Negli ultimi anni il panorama evolutivo delle normative omologative ha dettato una severa evoluzione dei limiti sulla concentrazione degli inquinanti gassosi allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. L'obiettivo di sviluppo dei nuovi motori a combustione interna è principalmente rivolto all'incremento dell'efficienza di conversione limitato da fenomeni di combustione anomala quali la detonazione. Per superare tale limite è necessario individuare nuove soluzioni che riducano il rischio di detonazione all'aumentare della potenza specifica del motore tra cui trova interesse l'iniezione d'acqua in fase liquida perché l'elevato calore latente di vaporizzazione può fornire il raffreddamento della miscela desiderato. Il progetto sviluppato in questa tesi consiste nella valutazione degli effetti dell'iniezione d'acqua in un motore ad accensione comandata ad alta potenza specifica al fine di analizzarne gli effetti termo-fluidodinamici e valutarne i possibili benefici e svantaggi. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'adozione della simulazione CFD tridimensionale. Dopo una valutazione preliminare dei tempi caratteristici evaporativi e del rischio di saturazione, lo sviluppo di questa tesi si è articolato in un confronto tra le due soluzioni tecnologiche disponibili, iniezione d'acqua diretta e indiretta, analizzando l'influenza dell'iniezione d'acqua sulle grandezze motoristiche di maggiore interesse, quali titolo della miscela, intensità di turbolenza e temperatura, la cui ottimizzazione e il cui controllo sono fondamentali per il raggiungimento della massima efficienza di un motore ad accensione comandata e per superare il limite della detonazione.

Calibrazione e validazione di modelli per la simulazione CFD di impatto a parete di spray di combustibili

Il seguente lavoro è uno studio di iniezione (strategia, timing, spray pattern) svolto con la simulazione numerica, alle quali oggi si richiede dettaglio e accuratezza. Il lavoro si concentra sullo studio di spray multi componente, tramite la scrittura di una UDF (user define function) proprietaria, valutazione sensibilità dell'impatto a parete, film boiling a parametri modellistici influenzati dal multicomponente e scrittura di un codice per l'elaborazione delle immagini sia sperimentali che numeriche per rendere più esteso il confronto tra CFD e sperimentale, per migliorare le tarature e i modelli e comprendere meglio la fenomenologia.

Studio dell'effetto dell'iniezione di acqua diretta in motori GDI mediante simulazioni CFD

L’introduzione di normative antinquinamento sempre più stringenti ha costretto le case automobilistiche a progettare motori sempre più efficienti e puliti, sviluppando propulsori downsized sovralimentati sottoposti a notevoli sollecitazioni termomeccaniche. L’iniezione di acqua è una tecnologia innovativa che sfrutta il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare la carica, allontanando il rischio di detonazione nei motori ad accensione comandata. Essa punta a sostituire l’attuale arricchimento della miscela nei punti di funzionamento critici, in modo da diminuire i consumi di carburante e contenere le emissioni di CO, sottoposte nel prossimo futuro a limitazioni più stringenti nei cicli di omologazione RDE. Il presente lavoro di tesi ha voluto indagare, tramite simulazioni CFD, gli effetti dell’iniezione diretta di acqua su un motore GDI sovralimentato, modellato virtualmente. Le simulazioni hanno coinvolto dapprima le fasi di aspirazione e compressione, valutando l’effetto di raffreddamento sulla carica, la dinamica di evaporazione dell’acqua immessa e l’interazione sia con la dinamica dell’aria all’interno del cilindro, sia con la miscelazione aria-combustibile. Presi come riferimento i casi con λ1 e λ0,75 senz’acqua, l’analisi è iniziata quindi valutando quale fosse la fasatura di iniezione ottimale ed è proseguita analizzando gli effetti di due sistemi di iniezione a 50 bar e 150 bar al variare della quantità di acqua immessa. Una volta trovati i casi migliori nelle due configurazioni, si è proceduto a simulare la combustione, verificando che i benefici ottenuti fossero sfruttati in questa importante fase. Il raffreddamento della miscela permette di aumentare gli anticipi di accensione e quindi avere sia un maggior margine alla detonazione, sia un aumento di lavoro indicato. L’acqua però, comportandosi da inerte, inibisce la propagazione della fiamma, generando combustioni molto lunghe, che influiscono negativamente sulle temperature di scarico.

Analisi preliminare tramite simulazioni CFD di sistemi di combustione SACI

In questa tesi ci si occupa di presentare lo scenario motoristico attuale, le normative vigenti e la ricerca di sistemi più efficienti per poi fare un’analisi preliminare, basata su simulazioni termofluidodinamiche, di sistemi di combustione a bassa temperatura di tipo SACI, in modo da comprendere come i vari parametri influenzino la formazione della miscela in camera di combustione. In particolare vengonono usati i software OpenWAM e FIRE per studiare la fase di aspirazione e l’iniezione.

Simulazione CFD di incendio in galleria: confronto tra modello e test in scala reale

Le tecniche di fluidodinamica computazionale vengono utilizzate in numerosi settori dell’ingegneria per risolvere in modo efficiente i problemi di flusso e di termodinamica nei fluidi. Uno di questi settori in cui si è diffuso l’utilizzo delle tecniche CFD (Computational Fluid Dynamics) è il settore dell’ingegneria antincendio. Tra i vari software di simulazione presenti, FDS (Fire Dynamics Simulator) è quello più diffuso nella comunità antincendio e utilizzato all’interno della presente analisi. L’elaborato introduce le basi dell’ingegneria antincendio spiegando le varie fasi attraverso il quale passa la metodologia prestazionale, passando poi ad approfondire le dinamiche d’incendio, in particolare nelle gallerie stradali e le tecniche di modellazione termo fluidodinamica degli incendi. L’analisi tratta il confronto tra delle prove d’incendio in scala reale effettuate all’interno di una galleria e le relative simulazioni fluidodinamiche realizzate al fine di verificare la corrispondenza tra la modellazione con software e l’effettiva evoluzione dell’incendio. Nell’analisi verranno confrontati diversi metodi di modellazione, evidenziando i vantaggi e i limiti incontrati nel corso delle simulazioni, confrontandoli al tempo stesso con i risultati ottenuti dai test in scala reale. I modelli ottenuti hanno permesso di estendere le simulazioni a focolari di potenza maggiore al fine di effettuare un’analisi delle prestazioni antincendio della galleria oggetto di studio.

WEC-Sim Application for the Assessment of Wave Energy Generation in the Tyrrhenian Sea and the North Sea Through the 2-Body Point Absorber (2BPA) and the Oscillating Surge Wave Energy Converter (OSWEC)

In recent years, developed countries have turned their attention to clean and renewable energy, such as wind energy and wave energy that can be converted to electrical power. Companies and academic groups worldwide are investigating several wave energy ideas today. Accordingly, this thesis studies the numerical simulation of the dynamic response of the wave energy converters (WECs) subjected to the ocean waves. This study considers a two-body point absorber (2BPA) and an oscillating surge wave energy converter (OSWEC). The first aim is to mesh the bodies of the earlier mentioned WECs to calculate their hydrostatic properties using axiMesh.m and Mesh.m functions provided by NEMOH. The second aim is to calculate the first-order hydrodynamic coefficients of the WECs using the NEMOH BEM solver and to study the ability of this method to eliminate irregular frequencies. The third is to generate a *.h5 file for 2BPA and OSWEC devices, in which all the hydrodynamic data are included. The BEMIO, a pre-and post-processing tool developed by WEC-Sim, is used in this study to create *.h5 files. The primary and final goal is to run the wave energy converter Simulator (WEC-Sim) to simulate the dynamic responses of WECs studied in this thesis and estimate their power performance at different sites located in the Mediterranean Sea and the North Sea. The hydrodynamic data obtained by the NEMOH BEM solver for the 2BPA and OSWEC devices studied in this thesis is imported to WEC-Sim using BEMIO. Lastly, the power matrices and annual energy production (AEP) of WECs are estimated for different sites located in the Sea of Sicily, Sea of Sardinia, Adriatic Sea, Tyrrhenian Sea, and the North Sea. To this end, the NEMOH and WEC-Sim are still the most practical tools to estimate the power generation of WECs numerically.