Internal Cooling Design Using Multiphysics Topology Optimization

• This thesis investigates topology optimization (TO) as a tool for designing optimal internal cooling configurations in components subjected to external hot gas streams. The work is motivated by the challenge of simultaneously considering objectives from multiple physics domains, and the rapid development of additive manufacturing (AM) in the industry, which makes it possible to realize highly complex TO designs. Against this background, a multi-physics TO approach is employed, involving the following physics domains: • Fluid mechanics: describes the flow of the coolant • Heat transfer: describes the coolant and component temperatures • Solid mechanics: describes the structural behaviour of the component Density-based TO is used to parametrize the design, such that the interpolation between solid and fluid material properties is governed by a spatially varying design variable. Temperature measures are considered as objectives in the non-convex optimization problems, and coolant mass flow and structural stiffness measures are considered as constraints. The design process is iterative: for a given design, the flow velocities are computed and used to calculate the temperature distribution, which in turn influences the domain’s structural response. These three equilibrium state problems are solved sequentially, followed by solving corresponding adjoint problems in reversed order, to acquire first-order sensitivity information used by the gradient-based optimization solver. Numerical simulations are carried out for geometries of varying degrees of complexity, resembling gas turbine guide vanes. The simulations cover a range of fidelity levels: from simpler 2D setups to more complex 3D setups with fine resolution, intended for execution on high-performance computing (HPC) clusters. Low-fidelity flow models are utilized in the TO process, while more advanced flow models are employed for design comparisons, and flow and heat response comparisons for given TO designs. The thesis consists of two parts: the first provides the theoretical framework, and the second includes appended papers. In Paper I, only the heat problem is included when modelling convection on internal boundaries identified using the design gradient. Fluid and solid mechanics are introduced in Paper II, where a conjugate heat transfer problem is augmented with a structural model coupled through thermal strains, with numerical examples in 3D. In Paper III, the simultaneous consideration of flow and heat objectives is formulated as a mathematical game between two players trying to minimize the average temperature in the domain and the coolant mass flow through the domain, respectively, with examples in 2D and 3D. The flow problems are the computational bottlenecks, and therefore, Paper IV demonstrates a 3D implementation investigating two different numerical techniques for solving the flow problem, with a voxelization approach for efficient meshing of complex geometries. Paper V presents an efficient, massively parallel HPC implementation for three-field flow-heat-structural models, and addresses further implementation details. This thesis highlights challenging aspects of large-scale multiphysics TO considering fluid mechanics, heat transfer, and solid mechanics. 

• Avhandlingen undersöker hur man kan använda topologioptimering (TO) för att ta fram optimala designkonfigurationer för intern kylning av hetgaskomponenter. För att åstadkomma detta krävs att man tar hänsyn till flera olika fysikaliska fenomen samtidigt, vilket är speciellt utmanande för de komplexa designer som erhålls ur TO-processen, designer som numera är möjliga att tillverka tack vare additiv tillverkning. Mot bakgrund av detta används här en multifysik-approach för TO, där följande fysikdomäner inkluderas:• fluidmekanik: beskriver köldmediets flöde• värmeöverföring: beskriver temperaturen i köldmediet och komponenten• solidmekanik: beskriver strukturresponsen i komponentenDensitetsbaserad TO används för att förena de tre fysikdomänerna: materialparametrarna interpoleras mellan fluid och solid med hjälp av en spatiellt varierande designvariabel. Det icke-konvexa optimeringsproblemet formuleras med hjälp av en målfunktion som beaktar temperaturen, medan köldmediets massflöde och den strukturella styvheten behandlas som bivillkor. Designprocessen är iterativ, där först tre tillståndsproblem löses sekventiellt: först beräknas flödet för en given design, varpå temperaturen beräknas baserat på flödeshastigheterna. Till sist bestäms strukturresponsen, som är beroende av temperaturfältet. Motsvarande s.k. adjoint-problem löses sedan i omvänd ordning för att erhålla förstaderivator av målfunktion och bivillkor. Denna information används av en gradientbaserad optimeringslösare för att uppdatera designen. Numeriska lösningar presenteras för geometrier av varierande komplexitet, liknande de ledskenor som finns i gasturbiner. Numeriska experimentuppställningar görs i både 2D och 3D för olika upplösningar och nivåer av detaljrikedom, där de mest avancerade uppställningarna är skapade för högpresterande datorsystem (HPD). Mindre avancerade flödesmodeller används i topologioptimeringsprocessen och designresultaten jämförs med designer erhållna med hjälp av mer avancerade flödesmodeller. Jämförelser görs även mellan flödes- och temperaturfält erhållna från olika flödes-modeller applicerade på samma design.Avhandlingen består av två delar: den första delen innehåller den teoretiska bakgrund som arbetet baseras på och den andra delen innehåller inkluderade artiklar. I artikel I ingår en värmeöverföringsmodell som endast använder sig av designgradienten för att modellera intern konvektion mellan solid och fluid. Fluid- och solidmodellering introduceras i artikel II, där kopplingen mellan värmeöverföringsmodellen och strukturmodellen utgörs av termiska töjningar, med exempel i 3D. Artikel III behandlar ett optimeringsproblem med två konkurrerande målfunktioner som ett matematiskt spel med två spelare, där en vill minimera medeltemperaturen i komponenten och den andra vill minimera köldmediets massflöde, och exempel ges i både 2D och 3D. Den begränsande faktorn i simuleringarna är flödesproblemet. Artikel IV jämför därför prestandan för olika lösningstekniker för flödesproblemet, samtidigt som en voxeliseringsteknik används för att importera komplexa geometrier. I artikel V presenteras en effektiv, massivt parallell HPD-implementering för kopplade flöde-temperatur-struktur-problem, tillsammans med aspekter som rör implementering.Avhandlingen visar på möjligheter och utmaningar för storskalig topologioptimering för multifysikproblem, beaktande flödesmekanik, värmeöverföring och solidmekanik.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Teknisk mekanik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Applied Mechanics (hsv//eng)

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)