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Geometrieoptimierung zur Widerstandsverringerung von durchströmten Körpern mithilfe evolutionsstrategischer CFD-Simulation am Beispiel des 90°-Rohrbogens

In dieser Arbeit wird die Anwendbarkeit einer Evolutionsstrategie auf eine CFD-Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics) am Beispiel der Rohrbogenoptimierung überprüft. Als Vorbild dient die Diplomarbeit von H. J. Lichtfuss^[1], der diesen Versuch im Labor, an Hand eines Modells durchführte. Hierbei wird die Form eines 90°-Rohrbogens mittels einer (1+1)-Evolutionsstrategie^[2] durch Veränderung der Geometrie bei einer voll turbulent ausgebildeten Durchströmung optimiert. Dabei wird der Verlauf des Bogens über sechs veränderliche Radien gesteuert, die mittels Zufallszahlen in ihren Längen suksesive gedehnt oder gestaucht werden können (Abb. 1). Die sich daraus ergebende Geometrie des Rohrverlaufs wird dann auf ihren Durchströmungswiderstand berechnet. Die Optimierung der Geometrie, mit dem Ziel den Widerstand zu minimieren, wird über die Evolutionsstrategie geregelt. Diese ist von den Prinzipien der natürlichen Evolution Reproduktion, Mutation und Selektion abgeleitet, demnach wird durch zufällige Veränderung der Elterngeneration eine neue Kindergeneration gebildet. Erweist sich die neue Generation als besser, in Bezug auf das Auswahlkriterium Widerstand, wird es zur neuen Elterngeneration, ansonsten wird sie verworfen und die vorherige Elterngeneration verbleibt für den nächsten Iterationsschritt.

Abbildung 1: Versuchsaufbau nach Lichtfuss^[1]. Der Rohrbogenverlauf wird wie im praktischen Versuch über sechs Radien gesteuert.

Die 1965 gewonnenen Daten dienen zum Vergleich und zur quantitativen Bewertung des Verfahrens. Bei numerischen Simulationen handelt es sich um Näherungsverfahren, die die Realität nur bedingt wiedergeben können. Daher wird in diesem Methodentest untersucht, ob und in wie weit diese Ungenauigkeiten Einfluss auf eine solche Optimierung haben. Dafür wird die Geometrie über Koordinaten in der Software Gambit erzeugt und eine Simulation mit der Software Fluent, der Firma Fluent Inc., gerechnet. Die Hauptaugenmerke liegen auf der Berechnung der Geometriekoordinaten, um das Verhalten des Rohres durch Verformung möglichst realitätsnah abzubilden (Abb. 2), sowie den Simulationsparametern, der Vermaschung und dem Turbulenzmodell.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der Geometrieerzeugung, um die Rohrlänge bei verändertem Verlauf beizubehalten.

Die gewonnenen Daten dienen so als Grundlage für eine computerdestützte Evolution des Rohrbogens.

Die Ergebnisse deuten auf enormes Potenzial der Methode, da sowohl die virtuelle Adaption zu sehr guten Resultaten führt (Abb. 3), aber auch hohe Flexibilität in Bezug auf Anpassung der Rahmenbedingungen, wie z.B. Rohrdurchmesser oder Biegeradius, gewährleistet ist.

Abbildung 3: Graphischer Vergleich des CFD-Modells mit dem Ergebnis aus dem Laborversuch.

References

^[1] Lichtfuss, Hanns-Jürgen (1965): Diplomarbeit, Evolution eins Rohrkrümmers, Technische Universität Berlin.

^[2] Rechenberg, Ingo (1994): Evolutionsstrategie ´94, Werkstatt Bionik und Evolutionstechnik, Band 1, Stuttgart: frommann-holzboog, 1994, ISBN: 3-7728-1641-X.

last update: 11 Oct 2023 06:14