Adaptive parameterization for Aerodynamic Shape Optimization in Aeronautical Applications

Cílem mé disertační práce je analyzovat a vyvinout parametrizační metodu pro 2D a 3D tvarové optimalizace v kontextu průmyslového aerodynamického návrhu letounu založeném na CFD simulacích. Aerodynamická tvarová optimalizace je efektivní nástroj, který si klade za cíl snížení nákladů na návrh letounů. Nástroj založený na automatickém hledání optimálního tvaru. Klíčovou částí úspěšného optimalizačního procesu je použití vhodné parametrizační metody, metody schopné garantovat možnost dosažení optimálního tvaru. Parametrizační metody obecně používané v oblasti aerodynamické tvarové optimalizace momentálně nejsou připravený na komplikované průmyslové aplikace vyskytující se u moderních dopravních letounů, které mají šípová zalomená křídla s winglety a motorovými gondolami, přechodové prvky spojující např. trup s křídlem atd.. Existuje tedy potřeba nalezení obecné parametrizační metody, která bude aplikovatelná na širokou škálu různých geometrických tvarů. Free-Form Deformation (FFD[1]) parametrizace může, vzhledem ke svým schopnostem při zacházení s geometrií, být odpovědí na tuto potřebu. Adaptivní parametrizace by se měla být schopna automaticky přizpůsobit danému tvaru tak, aby byly její kontrolní body vhodně rozmístěny. Což umožní dostatečnou kontrolu deformací objektu, která zaručí možnost vytvoření optimálního tvaru objektu a splnění geometrických omezení. Primární aplikací takové parametrizační metody je deformace tvaru objektu. Dalším navrhovaným cílem je modifikace FFD parametrizační metody pro současné deformace tvaru objektu a CFD výpočetní sítě, umožnující velké deformace objektu při zachování kvality výpočetní sítě.The goal of this doctoral thesis is to analyze and develop parameterization algorithms for 2D and 3D shape optimization in the context of industrial aircraft aerodynamic design based on simulations with CFD. Aerodynamic shape optimization is an efficient tool that aims at reducing the cost of the process of aircraft design. A tool that is based on automatization of the search for the optimum shape. Key part of successful aerodynamic shape optimization is the use of appropriate parameterization method, a method that should guarantee the possibility of reaching optimum shape. The parameterization methods used in aerodynamic shape optimizations are still not ready for complex industrial applications, which are present on modern passenger aircrafts with swept cranked wings with winglets and engine pylons, fuselage-wing interactions etc. So there is a need for general parameterization method that applies on wide variety of different geometries.The Free-Form Deformation (FFD[1]) parameterization can, thanks to its geometry handling qualities, be the answer to this need. Adaptive parameterization should automatically modify parameterization grid (lattice) to get appropriate lattice in regions of interest. Such that will allow sufficient control of deformations of the object with respect to reaching optimum shape and fulfilling optimization constraints. First application is in the surface deformation. The other proposed goal is development of the FFD parameterization that can do both surface deformations and CFD mesh deformations, while enabling large object deformations and preserving the level of mesh quality during the process.