Gradientní a negradientní metody tvarové optimalizace lopatky vodní turbíny

Účelem naší práce je vyvinout nástroj pro automatickou optimalizaci tvaru lopatek oběžného kola ve vodních turbínách, zejména v Kaplanově turbíně. Tok tekutin je simulován pomocí vlastního nestlačitelného turbulentního řešiče proudění založeného na isogeometrické analýze (viz např. J. A. Cotrell at al.: Isogeometric Analysis: Toward Integration of CAD and FEA, Wiley, 2009). Navrhovaný přístup automatické optimalizace tvaru je založen na takzvané hybridní optimalizaci, která kombinuje metody negradientní a gradientní. Jako negradientní metoda se používá metoda Particle Swarm Optimization (PSO). Gradientní část využívá kvazi-Newtonovu metodu implementovanou v softwarové knihovně IpOpt (Interior Point OPTimizer) a výpočet gradientu cílové funkce s ohledem k tvarovým proměnným je realizován pomocí automatického derivování počítačového kódu, které se provádí pomocí softwaru knihovny CoDiPack (Code Differentiation Package).The purpose of our work is to develop an automatic shape optimization tool for runner wheel blades in reaction water turbines, especially in Kaplan turbines. The fluid flow is simulated using an in-house incompressible turbulent flow solver based on recently introduced isogeometric analysis (see e.g. J. A. Cotrell et al.: Isogeometric Analysis: Toward Integration of CAD and FEA, Wiley, 2009). The proposed automatic shape optimization approach is based on a so-called hybrid optimization which combines gradient-free and gradient-based methods. As the gradient-free method, the Particle Swarm Optimization (PSO) method is used. The gradient-based part exploits a quasi-Newton method implemented in IpOpt software library (Interior Point OPTimizer) and gradients of the objective function with respect to design variables are provided by automatic differentiation of the computer code which is done with the help of CoDiPack software library (Code Differentiation Package)