| Source DB | fr |
|---|---|
| Institution | ULiège |
| Code | 26_13585 |
| Unit | ULiège_u001 |
| Begin | 9/1/2019 |
| End | |
| title fr | Optimisation topologique avec DGM sur maillage Cartésien non-conforme, interfaces immergées et level-set splines |
| title nl | |
| title en | Topological optimisation using DGM on non-conforming Cartesian meshes, immersed boundaries and splined level-sets |
| Description fr | Par sa flexibilité géométrique, la fabrication additive permet un changement radical dans la conception industrielle. Ensemble avecl'optimisation topologique, qui ne fait aucune hypothèse a priori quant à la géométrie, des très grands gains au niveau de performance peuvent être obtenus par rapport à une conception et fabrication classique; ceci tient en particulier pour les échangeurs de chaleurs compacts, qui sont visés dans ce projet. L'optimisation topologique est à ce jour un sujet de recherche en pleine ébullition. Le challenge réside dans le lien fort entre la méthodologie d'optimisation d'un côté et celle utilisée pour le calcul de l'autre,résultant dans des limitations importantes. L'objectif global est de s'affranchir des limitations les plus bloquantes par une combinaison judicieuse de nouvelles technologies de simulation. L'approche permettra de définir une géométrie complètement libre, mais donton controle toutefois le degrée de continuité et les contraintes de construction a priori, afin d'éviter la régularisation a posteriori; la méthodologie de calcul sera adaptative et fournira une précision en adéquation avec la complexité et la régularité de la géométrie; et finalement la paramétrisation explicite du level-sets par des splines non structurés permettra d'utiliser toute approched'optimisation en lieu de définir l'évolution de lasurface par une équation d'évolution. En particulier, différentes cibles pourront être traitées indépendemment, et on disposera dessensitivités des cibles par rapport à la paramétrisation, permettant une approchepar gradient. Le premier volet du projet consiste en le développement de l'approche de calcul direct d'une physique générique autour / plusieurs physiques couplées à travers de parois implicites, définie par level set. Dans ce projet, le couplage écoulement d'airet conduction de chaleur en milieu solide seront visés. L'utilisation de la méthode des éléments finis discontinues sur maillages Cartésiens non-conformes permettra l'adaptation du maillage et de l'ordre. La méthode sera ensuite équipée d'une quadrature sursurface/interface immergée, précise au même ordre, pour laquelle plusieures approches ont étées récemment proposées dans la littérature. Le deuxième volet consiste en l'extension vers le calcul inverse, càd l'optimisation des level-sets paramétrées. Dans lapremièretâche, les level-sets seront paramétrées par des splines volumétriques, supportés sur maillage indépendent (adaptatif). Enutilisantla solution adjointe, l'estimation des sensitivités des cibles d'optimisation par rapport à la paramétrisation (ie. noeuds dessplines) sera ensuite implantée. Cette méthodologie sera alors démontrée sur un échangeur de chaleur compact. Les perspectives àlongterme sont légion. Les développements récents dans les méthodes dites l'analyse isogéométrique permettent de définir des splinesnon-structurés, et donc l'adaptation locale du level-set, tout en maintenant le contrôle sur sa qualité et le respect des contraintes. Ceci permettra de raffiner progressivement le level-set, et donc d'utiliser différentes stratégies en fonction de l'état de l'avancement de l'optimisation, en commencant par des méthodes globales pour finir avec des méthodes basées sur des gradients. Cettethématique sera investiguée dans quelques thèses dans la prolongation de ce projet. En outre la capacité de simuler précisément desphysiques autour/couplés à travers des géométries très complexes et mobiles ouvre maintes possibilités de recherche,non seulement en mécanique, mais également interdisciplinaires. Pour favoriser de telles collaborations, les développements seront consolidésdans un logiciel libre. Plusieurs sujets potentiels ont étés identifiés, incluant la simulation directe de l'écoulement turbulent dansle tract respiratoire afin d'étudier le ronflement et l'apnée; la fusion de particules métalliques en fabrication additives; le bruit généré par des trains d'atterrissage, voire des configurations hypersustentateurs; la performance de pompes volumét |
| Description nl | |
| Description en | Due to its geometric flexibility, additive manufacturing opens up many possibiities in industrial design. In combination with topological optimisation, in which no hypotheses are made with respect to geometry, important gains in performance can be obtained in comparison to classical manufacturing and optimisation procedures, for instance of compact heat exchangers, which are the primary application in this project. Topological optimisation is currently a hot research topic. An important challenge lies in the close link between optimisation strategy and computation methodology, resulting in important limitations of both. The global objective of this project is to remove such limitations, by a judicious combination of new and advanced numerical techniques, allowing to combine capabilities that seemed mutually contradictive so far. The approach will allow a fully free geometry, of which we nevertheless control the degree of continuity and the respect of construction constraints a priori, such that the need for a posteriori regularisation is avoided. The computational method will have a precision on par with the order and regularity of the surface; finally the geometrywill be parametrised explicitly. This will allow the use of many optimisation techniques instead of being limited to the indirect evolution of the level-set. This in turn allows the independent treatment of several design goals; a tight control on optimisation complexity; and the explicit computation of sensitivities for gradient based methods. The first part consist in developing the methodology for the forward computation of generic physics either around or coupled through implicit geometries, defined by an isocontour of a volumetric "level set" function. Using the discontinuous Galerkin discretisation on a Cartesian, non-conformally refined mesh, the method will provide local adaptation of both mesh and interpolation order. The method will then be enriched by a high order accurate immersed boundary or interface quadrature, for which recently several approaches have been proposed in literature. Thesecond part consists of the extension to the inverse problem, ie. the optimisation of the level set parameters in function of optimisation goals and constraints. Thereto first a volumetric spline parametrisation on an independent mesh will be developed for the level set. Secondly, an approach for estimating parameter sensitivities of the optimisation goals will be developed, based upon the adjoint solution. The developed methodology will then be demonstrated on a simple heat exchanger. The long term perspectives ofthe research are manifold. Using ideas from isogeometric analysis, adaptive splines with continued control on continuity and optimisation constraints can be developed, opening the way for evolving optimisation strategies, from global to local, combined to an increasing optimisation complexity through local enrichment of the splines supporting the level set. This interesting perspective will be investigated in follow-on doctoral research projects. The capacity of simulations on complex and moving geometries opens many perspectives for further research and interdisciplinary collaborations. Therefore, the developments of this project will be consolidated in an open source software. Currently a number of applications have been identified for future research in the department, including the study of the mechanisms underlying snoring and apnea by direct simulation the turbulent flow in the (moving) respiratorytract; the fusion of metallic particles in additive manufacturing processes; the prediction of the noise generated by landing gearsand deployed slats of aircraft; the prediction of the performance of volumetric pumps, ... |
| Qualifiers | |
| Personal | |
| Collaborations |
