Topologioptimering av strömning med omslag till turbulens
Tid: Fr 2023-12-15 kl 10.00
Plats: E3, Osquars backe 14, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Teknisk mekanik
Respondent: Harrison Nobis , Teknisk mekanik
Opponent: Professor Paolo Luchini, Universita di Salerno, Italien
Handledare: Professor Dan Henningson, ; Professor Philipp Schlatter,
Abstract
Avhandlingen behandlar topologioptimering av strukturer i syfte att påverkavätske- och luftströmmingar. Ett ramverk har utvecklats i programvaran Nek5000,som numeriskt löser Navier–Stokes ekvationer med hjälp av en högre ordningensspektralelementmetod (SEM). Ramverket utökar Nek5000 ursprungliga kapa-citet så att densitetsbaserad topologioptimering kan utföras inom ramen fördirekta numeriska simuleringar (DNS).
Användingen av SEM för topologioptimering utvärderades först i två di-mensioner med en framgångsrik tillämpning av metodiken för utformning aven oscillerande pump. Resultatet verifierades genom beräkningar med kropps-anpassade nät. En icke-linjär filtreringsstrategi användes för att upprätthållaen minimalängdskala på den optimerade geometrin, en strategi som visade sigvara nödvändig för att erhålla meningsfulla pumpkonstruktioner.
Programvaran användes sedan för att optimera uppsättningar av ytstruk-turer som genererar s.k. stråk i laminära gränsskikt. Syftet med optimeringenvar att dämpa tillväxten av Tollmien–Schlichting- (TS) vågor. De optimeradestrukturerna dämpar TS-vågamplituden avsevärt bättre än tidigare användaminiatyrvirvelgeneratorer. De optimerade strukturerna och de nya basflöden deinducerar studerdes med energibudget- och lokala stabilitetsanalys.
Topologioptimering användes också för makroskopisk utformning av super-hydrofobiska ytor i kanalströmning i syfte att fördröja laminärt till turbulentomslag. Först betraktades en liten periodisk domän, och resultaten indikeraratt de optimerade ytorna minskar tillväxten av de sekundärinstabiliteter somorsakar omslag till turbulens. Sedan utökades domänen till att studera spa-tiellt utvecklande strömning. Där visar de optimerade ytorna en strukturellasymmetri mellan topp- och bottenytor, vilket bryter den klassiska symme-trin i omslag av s.k. K-typ. Även om detta symmetribrott visade sig varafördelaktigt, är den huvudsakliga orsaken till fördröjningen av omslaget återigenen tillväxtsbegränsning av den sekundära instabiliteten.
Det utvecklade Nek5000-ramverket användes också för att optimera värme-överföringsproblem. Den termiska prestandan av en kylfläns i en differentielltuppvärmd kavitet förbättrades genom att utforma kylflänsen med användandeav topologioptimering.