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Surrogate-based optimization of hydrofoil shapes using RANS simulations
Cette thèse présente un framework d optimisation pour la conception hydrodynamique de forme d hydrofoils. L optimisation d hydrofoil par simulation implique des objectifs d optimisation divergents et impose des compromis contraignants en raison du coût des simulations numériques et des budgets limit...
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| Auteurs principaux : | , , , , , , |
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| Collectivités auteurs : | , , |
| Format : | Thèse ou mémoire |
| Langue : | anglais |
| Titre complet : | Surrogate-based optimization of hydrofoil shapes using RANS simulations / Patrick Ploé; sous la direction de Michel Visonneau et de Jeroen Wackers |
| Publié : |
2018 |
| Accès en ligne : |
Accès Nantes Université
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| Note sur l'URL : | Accès au texte intégral |
| Note de thèse : | Thèse de doctorat : Mécanique des Milieux Fluides : Ecole centrale de Nantes : 2018 |
| Sujets : |
| Résumé : | Cette thèse présente un framework d optimisation pour la conception hydrodynamique de forme d hydrofoils. L optimisation d hydrofoil par simulation implique des objectifs d optimisation divergents et impose des compromis contraignants en raison du coût des simulations numériques et des budgets limités généralement alloués à la conception des navires. Le framework fait appel à l échantillonnage séquentiel et aux modèles de substitution. Un modèle prédictif est construit en utilisant la Régression par Processus Gaussien (RPG) à partir des données issues de simulations fluides effectuées sur différentes géométries d hydrofoils. Le modèle est ensuite combiné à d autres critères dans une fonction d acquisition qui est évaluée sur l espace de conception afin de définir une nouvelle géométrie qui est testée et dont les paramètres et la réponse sont ajoutés au jeu de données, améliorant ainsi le modèle. Une nouvelle fonction d acquisition a été développée, basée sur la variance RPG et la validation croisée des données. Un modeleur géométrique a également été développé afin de créer automatiquement les géométries d hydrofoil a partir des paramètres déterminés par l optimiseur. Pour compléter la boucle d optimisation,FINE/Marine, un solveur fluide RANS, a été intégré dans le framework pour exécuter les simulations fluides. Les capacités d optimisation ont été testées sur des cas tests analytiques montrant que la nouvelle fonction d acquisition offre plus de robustesse que d autres fonctions d acquisition existantes. L ensemble du framework a ensuite été testé sur des optimisations de sections 2Dd hydrofoil ainsi que d hydrofoil 3D avec surface libre. Dans les deux cas, le processus d optimisation fonctionne, permettant d optimiser les géométries d hydrofoils et confirmant les performances obtenues sur les cas test analytiques. Les optima semblent cependant être assez sensibles aux conditions opérationnelles. This thesis presents a practical hydrodynamic optimization framework for hydrofoil shape design. Automated simulation based optimization of hydrofoil is a challenging process. It may involve conflicting optimization objectives, but also impose a trade-off between the cost of numerical simulations and the limited budgets available for ship design. The optimization frameworkis based on sequential sampling and surrogate modeling. Gaussian Process Regression (GPR) is used to build a predictive model based on data issued from fluid simulations of selected hydrofoil geometries. The GPR model is then combined with other criteria into an acquisition function that isevaluated over the design space, to define new querypoints that are added to the data set in order to improve the model. A custom acquisition function is developed, based on GPR variance and cross validation of the data.A hydrofoil geometric modeler is also developed to automatically create the hydrofoil shapes based on the parameters determined by the optimizer. To complete the optimization loop, FINE/Marine, a RANS flow solver, is embedded into the framework to perform the fluid simulations. Optimization capabilities are tested on analytical test cases. The results show that the custom function is more robust than other existing acquisition functions when tested on difficult functions. The entire optimization framework is then tested on 2D hydrofoil sections and 3D hydrofoil optimization cases with free surface. In both cases, the optimization process performs well, resulting in optimized hydrofoil shapes and confirming the results obtained from the analytical test cases. However, the optimum is shown to be sensitive to operating conditions. |
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| Variantes de titre : | Optimisation de géométries d hydrofoils par modèles de substitution construits à partir de simulations RANS |
| Notes : | Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) Partenaire(s) de recherche : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Sandrine Aubrun-Sanches (Président du jury) ; Michel Visonneau, Jeroen Wackers, Sandrine Aubrun-Sanches, Régis Duvigneau, Kai Graf, Vincent Chapin, Romain Lanos, Marc Rabaud (Membre(s) du jury) ; Régis Duvigneau, Kai Graf (Rapporteur(s)) |
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