Collaborative Optimization For Aircraft Wing Design

Collaborative optimization is a multi-level methodology for multidisciplinary optimization. The collaborative optimization does not require direct communication between each discipline and secures a disciplinary autonomy. But the collaborative optimization has problem at convergence of objective function and computational cost. In this paper, for better convergence, GA(Genetic Algorithm) is used as both system level optimizer and subspace level optimizer of the Collaborative optimization. In doing so, the performance of Collaborative Optimization is discussed by applying two example problems and aircraft wing design problem

Multi-stage Design Optimization of EAV Propeller

In this study, we present that multi-stage design framework for aerodynamic design optimization of rotary wing such as propeller and helicopter rotor blades. Strategy of the proposed framework is to enhance aerodynamic performance using both planform and sectional design optimization iteratively. In first stage of planform design, we used genetic algorithm and blade element momemtum theory(BEMT) based on two dimensional aerodynamic database to find optimal planform variables in short time. After initial design, local flow conditions of blade sections are calculated. Next stage, sectional design optimization is conducted using two dimensional Navier-Stokes' analysis and gradient based optimization algorithm. When optimal shapes are determined, planform design is performed again. Through the iterative design process, not only optimal flow condition but also shape could be acquired. To validate the framework, design optimization for propeller which operated in electric aerial vehicle system were performed. As a results, about 8% of efficiency enhancement has acquire

Surrogate model-based robust design optimization and application to unsteady flow problems

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공, 2014.8, [ xiv, 157 p. ]본 연구에서는 고차정확도(High-fidelity) 유동 해석을 바탕으로 한 효율적인 공력 강건 최적 설계 프레임워크를 개발하였다. 특히 비정상 유동하에 주기적인 거동을 보이는 물체를 빠르고 정확하게 해석할 수 있는 조화균형법(Harmonic Balance Method)을 도입하여 비정상 유동을 고려할 수 있는 강건 최적 설계 방법론을 제시한다. 조화균형법은 주파수 영역으로 사상된 유동의 지배방정식을 해석함으로써 비정상 유동을 마치 정상 유동의 해석과 유사하게 해석하므로 기존의 시간 정확도 기법에 비해 매우 빠른 해석 시간을 갖는 특징이 있다. 본 연구에서는 이러한 조화균형법을 활용하여 현실적으로 실현될 수 없었던 비정상 유동 하의 최적 설계를 현실화하였다. 또한 결정론적인 성능 계수 외에 불확실성에 기반한 강건성을 함께 고려한 강건 설계론을 적용하여 비정상 유동 하에 놓인 물체의 성능뿐만 아니라 강건성까지 고려하였다. 특히 일반적으로 강건 설계에서 가장 컴퓨팅 자원의 소모가 많은 강건성 정량화에 효율을 더하기 위하여 근사 모델 기법 인 크리깅 모델(Kriging Model)을 적용하였다. 특히 본 연구에서 사용된 크리깅 근사모델은 대부분의 연구에서 고려되지 않는 평균항을 고려한 기법이다. 정확한 경향성을 예측하여 근사 모델의 정확성을 향상시키기 위하여 결정 계수(Coefficient of Determination) R2 값에 기반한 경향성 지시자(R2 indicator)를 개발하여 적용하였다. 설계에서 고려될 수 있는 불확실성은 제작 및 운용 불확실성이며 이들의 정량화 수단으로는 표준 편차를 이용하였다. 이 표준 편차 계산을 위하여 몬테카를로 시뮬레이션 (Monte-Carlo Simulation)을 적용하여 정확한 편차 예측을 수행하였다. 또한 설계 공간에 대한 전역 탐색을 통해 목적함수의 개선과 강건성을 동시에 획득할 수 있도록 다목적 유전알고리즘을 적용하여 최적점을 탐색하였다. 본 연구를 통해 개발된 프레임워크는 수학적 함수들을 이용하여 검증되었으며, 정상/비정상 유동 하의 에어포일 설계 문제에 적용되었다. 정상 유동 하의 강건 최적 설계를 위하여, 천음속 에어포일인 RAE2822에 제작 및 운용 불확실성을 삽입하여 최적 안을 탐색하였다. 또한 비정상 유동 효과를 고려하기 위해 피칭 운동이 있는 천음속 NACA0012 CT5 에어포일의 최적 설계에 적용하여 강건 설계점을 탐색하였다. 또한 문제를 확장하여, 3차원 동축 반전 로터 시스템인 오픈 로터(Open Rotor)의 강건 최적 설계를 수행하였다. 특히 조화균형법을 통한 비정상 유동해의 탐색뿐만 아니라, FWH(Ffolks-Wiliam-Hawking) 방정식에 기반한 소음 해석을 함께 수행하였다. 이는 기존의 오픈 로터 시스템의 가장 큰 단점으로 꼽히는 소음 문제를 해결하면서 공력 성능을 유지할 수 있는 최적점을 탐색하기 위함이다. 특히 본 연구는 제작 및 운용 불확실성에서 정량화되는 강건성을 동시에 고려하여 다분야 통합-강건 최적 설계를 현실화하였다는 것에 의의가 있다.한국과학기술원 : 항공우주공학전공

A STUDY ON INVERSE DESIGN OF AIRFOIL USING e-Science BASED AERODYNAMICS DESIGN OPTIMIZATION FRAMEWORK

Recently, with advanced computational performance, numerical design optimization including CFD has been developed in aerospace engineering. However it could hardly find the design optimization softwares and contents of which educational purposes in aerospace engineering. In this study, inverse shape design is developed for steady, two dimensional inviscid and compressible flow over airfoils using aerodynamic design optimization framework for an airfoil based on EDISON_CFD(Education-research through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics). Design optimization is performed for drag minimization in transonic flow. Two target pressure distributions are RAE2822 known as transonic airfoil and previously designed airfoil for drag minimized from NACA0012 airfoil. Both result showed that shape, lift coefficient, and drag coefficient of baseline airfoil got closer to those of target airfoil. From a result, contents of design optimization framework could be expected to help in the lecture

Aerodynamic sectional design optimization for wind turbine rotor blades by a numerical optimization technique

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공, 2011.2, [ vi, 72 p. ]풍력 발전기의 시스템의 고효율화를 위해서는 시스템의 에너지 손실에 가장 큰 영향을 미치는 로터 블레이드의 공력 성능의 고성능화가 필요하다. 본 연구에서는 양항비를 최대로 하는 단면최적설계 프레임워크를 이용하여 풍력 터빈용 로터 블레이드의 공력 성능을 향상 시킬 방안을 모색하였다. 단면최적설계 프레임워크는 유동의 지배 방정식인 2차원 Navier- Stokes방정식 해석 CFD 프로그램과 수치 최적화 알고리즘으로 이루어져있다. 간접적인 해석 방식인 BEMT에 비해 CFD 해석은 비교적 정확하게 공력 성능을 예측할 수 있는 장점이 있다. 수치 최적화 알고리즘으로는 구배율 기반의 알고리즘인 수정유효방향 탐색 기법을 이용하여 쉽고 빠르게 최적점을 탐색하였다. 또한 설계 중 형상의 제약 없는 변화를 허용하기 위해 PARSEC 형상 함수를 이용하였다. 최적 설계 이후의 결정된 형상에 대해 3차원 N-S 유동 해석을 재차 수행하여 성능 검증을 살펴보았다. 본 연구에서 제안한 단면최적설계 프레임워크는 NREL Phase VI 로터 블레이드와 NREL 5MW급 로터 블레이드에 적용되었으며, 최적화 결과, 토크 성능을 기준으로 각각 약 11%, 9%의 성능 향상을 만들어냈다.한국과학기술원 : 항공우주공학전공

A STUDY FOR AERODYNAMIC DESIGN OPTIMIZATION OF AIRFOIL USING e-SCIENCE BASED AERODYNAMIC DESIGN OPTIMIZATION FRAMEWORK

In this study, aerodynamic design optimization of airfoil was performed to minimize drag of baseline airfoil at transonic flow by using e-Science based design framework. Prior to the design optimization, parameter sensitivity studies were performed to determine the step-size and the sensitivity of the objective function. In this research, the weight of a Hicks-Henne bump function served as a design variable. Aerodynamic analysis was carried out by EDISON_CFD Solver. An aerodynamic design optimization framework of airfoil selected a drag-minimized optimal configuration by using the gradient-based optimization algorithm. Design results showed that the drag and lift performances of an optimized airfoil have been improved by 95% and 7% respectively. In addition, the performance of an optimized airfoil was validated by performing the off-design study in different design flow conditions. Through this study, A aerodynamic design optimization framework of airfoil can be utilized as an educational & research aerodynamic design optimization resource

Aerodynamic sectional design optimization for wind turbine rotor blades by a numerical optimization technique

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공, 2011.2, [ vi, 72 p. ]풍력 발전기의 시스템의 고효율화를 위해서는 시스템의 에너지 손실에 가장 큰 영향을 미치는 로터 블레이드의 공력 성능의 고성능화가 필요하다. 본 연구에서는 양항비를 최대로 하는 단면최적설계 프레임워크를 이용하여 풍력 터빈용 로터 블레이드의 공력 성능을 향상 시킬 방안을 모색하였다. 단면최적설계 프레임워크는 유동의 지배 방정식인 2차원 Navier- Stokes방정식 해석 CFD 프로그램과 수치 최적화 알고리즘으로 이루어져있다. 간접적인 해석 방식인 BEMT에 비해 CFD 해석은 비교적 정확하게 공력 성능을 예측할 수 있는 장점이 있다. 수치 최적화 알고리즘으로는 구배율 기반의 알고리즘인 수정유효방향 탐색 기법을 이용하여 쉽고 빠르게 최적점을 탐색하였다. 또한 설계 중 형상의 제약 없는 변화를 허용하기 위해 PARSEC 형상 함수를 이용하였다. 최적 설계 이후의 결정된 형상에 대해 3차원 N-S 유동 해석을 재차 수행하여 성능 검증을 살펴보았다. 본 연구에서 제안한 단면최적설계 프레임워크는 NREL Phase VI 로터 블레이드와 NREL 5MW급 로터 블레이드에 적용되었으며, 최적화 결과, 토크 성능을 기준으로 각각 약 11%, 9%의 성능 향상을 만들어냈다.한국과학기술원 : 항공우주공학전공

Propeller aerodynamic design optimization using multi-stage design framework

본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 기반으로 로터의 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼이 설계된 후 단면의 지역 유동 조건을 계산하여 단면 최적 설계를 수행하였다. 보다 면밀히 유동 특성을 분석할 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면의 형상이 설계된 후에는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 최종 형상은 3차원 N-S 해석을 통해 검증하여 그 유효성을 판단한다. 이러한 방법론에 기반한 다단 최적 설계 프레임워크를 전기추진체용 프로펠러 설계에 적용하여 약 8%의 효율 증가를 얻었다

Multidisciplinary Design Optimization of Efficient Electric Aerial Vehicle Propeller

전기추진 비행체용 프로펠러의 고효율화를 위해 다분야 최적 설계를 수행하였다. 특히 주어진 RPM에 따른 추력은 일정하게 유지하되 토크를 감소시켜 공기역학적 효율 향상을 도모하였으며, 동시에 고속 회전으로 인한 구조적 안정성을 보장하기 위해 구조해석을 수행하여 구조적 안정성을 검증하였다. 설계와 해석의 정확도를 높이기 위하여 비압축성 Euler해석 기법의 CFD알고리즘과 유한요소기법에 바탕을 둔 CSD (Computational Structural Dynamics)기법을 적용시켰다. 공력 및 구조 해석 기법의 정확도를 검증하기 위하여 EAV의 운용조건에서 실험 블레이드의 풍동실험치와 비교되었다. 검증된 정확도를 바탕으로 토크감소를 위한 새 블레이드 형상 최적화가 수행되었다. 실험계획법, 크리깅 근사모델기법, 그리고 derivative-free기법의 multi-objective genetic algorithm(MOGA)이 사용되었다. 설계 변수로는 프로펠러 블레이드 반경방향으로 8개의 설계단면을 선정, 각 설계단면에서 비틀림 각과 끝 단 근처 3개 단면에서의 코드길이, 앞 전 위치를 설계 변수로 선정하였다. 최적화된 형상에 대한 공력 해석과 구조해석을 수행한 결과, 토크가 약 5% 감소하였으며 구조적 안정성은 잘 보장되었다