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Corso di Laurea e Dipartimento di Ingegneria Meccanica

 
 

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Shape optimisation tools for CFD analysis: RBF Morph, Ansys Fluent and modeFRONTIER


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RBF Morph Ansys Fluent modeFRONTIER


Tools: RBF Morph (www.rbf-morph.com), Ansys Fluent (www.ansys.com), modeFRONTIER (www.esteco.com)


Shape optimisation tools for CFD analysis: RBF Morph, Ansys Fluent and modeFRONTIER
Fluid dynamic development is a very crucial task, especially for problems where the motion of a fluid has an important impact on performances. In fact, a slight shape modification can dramatically affect the behaviour of a component that interacts with the fluid. CFD can give an important aid to drive the design of such critical components but a lot of effort is required if several configurations have to be considered.
Strumenti per la ottimizzazione di forma nelle analisi CFD: ANSYS Fluent, RBF Morph e modeFRONTIER
Lo sviluppo fluidodinamico rappresenta un argomento particolarmente cruciale, soprattutto in quei problemi in cui il moto del fluido ha un’influenza importante sulla performance: di fatto, una lieve variazione di forma può drammaticamente influire sul comportamento di un componente che interagisce con un fluido.
L’analisi CFD è in grado di fornire un importante aiuto nello studio di design di componenti critici, ma diventa oneroso il lavoro richiesto nel momento in cui si vogliano considerare diverse configurazioni.


An effective approach consists in studying the effects of such modifications acting directly on the CFD mesh. Required modifications can be introduced by morphing the surface mesh at the boundary of the fluid mesh and propagating such deformations inside the domain by means of a smoother. Original mesh topology is preserved but the final quality of the mesh depends on the action of the surface morpher and the fluid smoother.
The proposed approach has been tested coupling the best technologies available on the market: the CFD solver Ansys Fluent, the embedded morphing tool RBF Morph and the multi objective and design environment modeFRONTIER.
A real life problem, the optimisation of a motorbike windshield variotouring, has been faced in a typical design scenario, where calculations required by Fluent and RBF Morph are conducted on a parallel Linux HPC server, whilst the controller modeFRONTIER run on a simple Windows desktop tailored for office automation requirements.
The RBF Morph add-on has been used to deform the original CFD model considering three deforming actions:
• changing of driver height;
• changing of driver position acting on the hunching angle;
• adjustment of the variotouring acting on the deflector angle.
The setup of each modifier has been performed using the GUI of RBF Morph; several tools are available for the definition of source points distribution and their movement.
Un approccio molto efficace consiste nello studiare gli effetti di tali variazioni agendo direttamente sulla mesh.
Possono infatti essere introdotte delle modifiche al modello,modificando la mesh di superficie sui contorni della mesh del fluido e propagando tale deformazione all’interno del dominio mediante uno “smoother”: la topologia della mesh originale viene preservata ma la sua qualità è funzione dell’azione del modificatore di superficie applicato e dello “smoother” fluido.
L’approccio proposto è stato testato su un caso reale di ottimizzazione di forma di un cupolino variotouring, accoppiando le migliori tecnologie disponibili al momento sul mercato: il solutore CFD ANSYS Fluent, lo strumento di modifica RBF Moprh e l’ambiente di ottimizzazione multi obiettivo modeFRONTIER.
Il problema è stato affrontato in un tipico scenario di design, in cui i calcoli richiesti dal Fluent e dall’RBF Morph sono stati condotti in parallelo su un server in ambiente Linux, mentre lo strumento di controllo modeFRONTIER è stato fatto girare su un server in ambiente Windows, impostato su misura per i requisiti automatici di office.
L’applicazione RBF Morph è stata utilizzata per deformare il modello CFD originale, tenendo conto di tre diverse azioni di modifica:
• La variazione dell’altezza del pilota
• La variazione della posizione del pilota, agendo sull’angolo di inclinazione
• Il set-up del varotouring, agendo sull’angolo del deflettore
Il set-up di ogni modificatore è stato realizzato facendo uso della GUI (Graphical User Interface) dell’RBF Morph, che mette a disposizioni diversi strumenti per la definizione della distribuzione dei punti sorgente e la definizione del loro movimento.


Set up step of RBF Morph. The morphed action is limited in the box region “domain 1” (left). The motion of the surfaces inside the encapsulation domain (right) is imposed to the points on the windshield (fixed), the fairing (fixed) and the helmet (moving).


The mesh is morphed to change the driver angle of 15 degrees with respect to vertical axis.


The design space has been explored according to the workflow of modeFRONTIER. A wise set-up of SSH node allowed to manage calculation resources. Thanks to the parametric mesh available within Fluent powered by the RBF Morph add-on, only one case file is stored on the server, together with configuration (.rbf) and solution (.sol) file for each modifier. A symbolic link to such input files is created for each simulation, removing the bottle necks experienced when input files are directly provided by modeFRONTIER as support files.
Il design space di ciascun modificatore è stato esplorato tenendo conto del piano di lavoro impostato su modeFRONTIER e un’attenta impostazione del nodo SSH ha permesso di gestire le risorse di calcolo.
Grazie ad una mesh parametrica e al Fluent, potenziato dall’applicazione RBF Morph, un solo caso (file .cas) viene immagazzinato sul server, insieme con la configurazione (file .rbf) e la soluzione (file .sol) del modificatore creato.
Per ogni simulazione viene creato un link simbolico che punta ai file di input, rimuovendo i colli di bottiglia dovuti al supporto diretto di tali input in modeFrontier: tale supporto richiede infatti la copiatura dei file in ciascuna cartella di lavoro, con aumento consistente dei tempi di calcolo.


The optimisation is controlled by modeFRONTIER workflow.


Design space has been explored investigating the response produced by a single parameter.





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