پديد آورنده :
شيرواني، احمد
عنوان :
شتابدهي روش طراحي معكوس پوسته الاستيك به همراه بهينهسازي داده محور توزيع فشار هدف به كمك روشهاي يادگيري ماشين و يادگيري عميق
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي :
تبديل انرژي
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
ظ، 238ص. : مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي
توصيفگر ها :
طراحي معكوس , بهينهسازي , آيروديناميك , ايرفويل , ديناميك سيالات محاسباتي , الگوريتم پوسته الاستيك , يادگيري ماشين , يادگيري عميق , شبكه هاي عصبي مصنوعي , شبكة LSTM , شبكة FNN , داده محور , شتابدهي به كمك يادگيري ماشين , توزيع فشار هدف , الگوريتم ژنتيك
استاد داور :
محسن دوارده امامي، احمدرضا پيشهور
تاريخ ورود اطلاعات :
1401/07/25
رشته تحصيلي :
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1401/08/15
چكيده فارسي :
طراحي اشكال آيروديناميكي با پارامتر¬هاي عملكردي مطلوب يا هندسة بهينه، هميشه به عنوان يك مسئلة علمي-كاربردي اساسي مطرح بوده است. لكن، كاهش¬¬ هزينه محاسباتي روشهاي طراحي معكوس يا بهينهسازي آيروديناميكي، هميشه به عنوان يك چالش در حوزة آيروديناميك مطرح بوده است. امروزه، تلاش¬ها و سرمايه¬گذاري¬هاي كلاني در زمينة داده محور كردن حل مسائل مختلف متمركز شده است. در اين پژوهش، داده محور كردن طراحي معكوس به منظور شتاب¬دهي و كاهش هزينة محاسباتي آن مورد توجه است. به دليل ارجحيت روشهاي طراحي معكوس آيروديناميكي تكراري، به دلايل واضحي نظير قابليت اعمال ¬آنها بر جريآنهاي پيچيده، در اين پژوهش از دادههاي تكرار¬هاي گذشتة الگوريتم طراحي معكوس پوسته الاستيك براي به دست آوردن يك تخمين مناسب از هندسة هدف و شتاب¬دهي به سمت آن استفاده شده است. بدين منظور از دو مدل يادگيري عميق متفاوت، يك شبكة FNN عميق يا DFNN و يك شبكة LSTM، با آرايشها و حالت¬هاي ورودي و خروجي متفاوت به منظور شناخت هم رابطة بين توزيع فشار و هندسه و هم روند تغييرات هندسه به سمت هندسة هدف، بهره برده شده است. آموزش مدل يادگيري ماشين به وسيلة دادههاي كسب شده در مراحل اولية طراحي معكوس انجام گرفته و سپس اعتبارسنجي روش توسعه داده شده با بررسي ايرفويل¬هاي متفاوت در يك جريان تراكم پذير رينولدز بالا، در هر دو رژيم لزج و غيرلزج صورت گرفت. نتايج تا 70 و 80 درصد كاهش در هزينة محاسباتي را به ترتيب براي حالت¬هاي آفلاين و آنلاين استفاده از ماشين يادگيري با الگوريتم طراحي معكوس را نشان مي¬دهند.
روشهاي طراحي معكوس به لحاظ اطمينان از بهينه بودن، دقت و واقعي بودن توزيع فشار هدف، داراي محدوديت¬ هستند كه مانعي براي توسعة بيش¬تر اين روشها است. بخش دوم اين پژوهش با تركيب يك روش طراحي معكوس تكراري موسوم به طراحي معكوس پوستة الاستيك و يك شبكة عصبي مصنوعي (ANN) سعي در برطرف كردن چالش¬هاي مذكور در حين حفظ نقاط قوت طراحي معكوس دارد. پايگاه داده يا ديتابيس توزيع فشار، كه توسط حل ميدان جريان توسط روشهاي ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) در طي روند طراحي معكوس به دست آمده است، به منظور آموزش يك مدل يادگيري عميق براي ارتباط بين توزيع فشار و ضرايب آيروديناميكي استفاده شد. سپس، الگوريتم ژنتيك جهت به دست آوردن توزيع فشار بهينه بر روي دادههاي به دست آمده اعمال شد، كه تابع هزينة آن توسط شبكة عصبي يا مدل يادگيري عميق توسعه يافته تعيين مي¬شود. به منظور ارزيابي قابليت¬هاي تركيب روش طراحي معكوس-يادگيري ماشين توسعه داده شده، يك ايرفويل توربين باد FX63-137 با مقطع ضخيم به منظور دريافت نسبت ضريب ليفت به درگ بيشينه در يك زاوية حملة مشخص، به عنوان تابع هزينه، بهينهسازي شد و توزيع فشار بهينه آن بصورت همزمان يا آنلاين در طي فرايند طراحي معكوس به دست آمد و توزيع فشارهاي غيرواقعي متناظر با هندسههاي دم ماهي شكل، به طور هوشمند توسط شبكة عصبي از روند بهينه سازي حذف گرديد. نتايج بهينهسازي تا 18% افزايش در نسبت ضريب ليفت به درگ نسبت به ايرفويل FX63-137 را نشان مي¬دهد. علاوه بر اين، در طي روند بهينهسازي، هندسههاي متفاوت با نسبت ضريب ليفت به درگ مشابه به دست آمده است.
چكيده انگليسي :
The design of aerodynamic shapes with desirable parameters or optimized geometry has always been an essential scientific-applied problem. However, the computational cost of inverse design and aerodynamic optimization methods has been a challenge in this field. Nowadays, heavy efforts and investments have been concentrated on finding data-driven solutions to various problems. In this research, the data-driven acceleration of an inverse design method was investigated to reduce its computational cost. Due to the superiority of iterative aerodynamic inverse design methods resulting from obvious reasons such as its applicability to complex flows, the data generated from the previous iterations of the inverse design algorithm was used to have a better estimate of the target geometry and to accelerate the shape modification process. For this reason, two deep learning models, an FNN and an LSTM network, with various representations of input data were investigated to recognize not only the correlation between pressure distribution and geometry but also the trend of geometry and pressure distribution changes toward their targets. The deep learning model was trained by the generated data from the early steps of the inverse design, and the developed method was validated using various airfoils in a compressible high-Reynolds flow, in both viscous and inviscid cases. The results showed a 70 and 80 percent reduction in the computational cost for the offline and online use of the machine learning module with inverse design algorithm, respectively.
The limitations of inverse design methods in terms of optimality, accuracy, and actuality of the target pressure distribution prevent further developments of such methods. In the second part of the research, an Artificial Neural Network (ANN) was incorporated into the Elastic Surface Algorithm (ESA) to resolve the aforementioned weaknesses while maintaining the strengths of inverse design methods. The database resulted from the solution of the fluid flow using CFD tools during the inverse design was used to train a deep learning model to correlate aerodynamic coefficients with pressure distributions. Then, a genetic algorithm was employed to achieve the optimized target pressure distribution, which its cost function is determined by the developed neural network or deep learning model. In order to evaluate the hybrid machine learning-inverse design method, the pressure distribution of the FX63-137 wind turbine airfoil was optimized at a determined angle of attack to reach the maximum lift-to-drag ratio as the cost function. During the online process of inverse design, the corresponding optimum pressure distribution was obtained and the unreal pressure distributions corresponding to fish-tail geometries were eliminated automatically by the neural network. The results of optimization showed the lift-to-drag ratio to increase by 18% for the FX63-137 airfoil. In addition, various geometries with close lift-to-drag ratios were achieved during the optimization.
استاد راهنما :
مهدي نيلي احمدآبادي
استاد داور :
محسن دوارده امامي، احمدرضا پيشهور