Minimização do fenômeno de vibrações induzidas por vórtices utilizando otimização por aproximação sequencial

SILVA, Silvana Maria Bastos Afonso da, também é conhecido(a) em citações bibliográficas por: AFONSO, Silvana Maria BastosO objetivo deste trabalho é o estudo e aplicação de técnicas de otimização em problemas de interação fluido-estrutura (FSI). A análise desse tipo de problema envolve a modificação do domínio computacional, uma vez que a geometria em consideração é movida com o tempo. Para evitar atualizações muito frequentes da malha computacional, é adotada uma formulação Lagrangeana-Euleriana arbitrária (ALE), que implica na necessidade um algoritmo de movimentação de malha. O algoritmo adotado para construção da malha dinâmica é baseado na equação modificada de Laplace. Os fenômenos de Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV) são avaliados, e a redução das vibrações do cilindro é analisada através de técnicas como a aplicação de uma excitação acústica na superfície do cilindro. Problemas de otimização são então formulados com objetivo de busca dos parâmetros de projeto que resultem na minimização das vibrações do cilindro. Devido ao alto custo computacional associado às simulações numéricas, modelos substitutos são construídos utilizando-se de um esquema de ajuste de dados por Krigagem. Deste modo, o algoritmo de otimização opera somente nos modelos substitutos, que são construídos baseados em poucas avaliações do modelo de alta fidelidade. Essas avaliações são conduzidas num número limitado de pontos, obtidos através de uma técnica de Projeto de Experimentos. As soluções ótimas são resultado da aplicação da estratégia de Otimização por Aproximação Sequencial (Sequential Approximation Optimization - SAO), que utiliza um método baseado em regiões de confiança para atualizar o espaço das variáveis de projeto para cada solução local da otimização (iteração SAO). O algoritmo de escolha para a otimização local é o de Programação Quadrática Sequencial (SQP). A metodologia e formulações empregadas foram bem-sucedidas na solução de problemas modelo analisados, demonstrando o potencial para o tratamento de aplicações mais complexas.The objective of this work is the study and application of optimization techniques in fluid-structure interaction (FSI) problems. The analysis of such problem involves the modification of the computational domain as the geometry under consideration is moved with time. To avoid updating the computational mesh too frequently, an arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation is adopted which leads to the need of a mesh movement algorithm. The algorithm adopted to build the dynamic mesh is based on the Modified Laplacian Equation. The phenomena of Vortex-Induced Vibrations (VIV) are evaluated, and the reduction of vibrations of the cylinder is analyzed through techniques such as the application of an acoustic excitation on the surface of the cylinder. Optimization problems are then formulated with the aim to find the design parameters that lead to the minimization of the cylinder vibration. Due to the high computational cost associated with numerical simulations, surrogate models are built using Kriging based data fitting scheme. Thus, the optimization algorithm operates solely on surrogates, which are built based on few high fidelity model evaluations. These evaluations are conducted on a limited number of designs obtained by a Design of Experiments technique (DOE). The optimal solutions results from application of the Sequential Approximation Optimization strategy (SAO), which uses a trust region based method to update the design variables space for each local optimization solution (SAO iteration). The local optimization algorithm of choice is the sequential quadratic programming (SQP). The methods and formulations used were successful in solving the model problems analyzed, demonstrating the potential for the treatment of more complex applications