KR20180115631A - Optimum design method for fluid system - Google Patents

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KR20180115631A
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Abstract

The present invention relates to an optimum design method for a fluid system. The optimum design method comprises: a step of setting a design area including the inlet and the outlet of fluid so as to design a flow path through the flow of fluid; a step of discretizing the design area; a step of setting a boundary condition corresponding to the operating condition of the design area; and a step of performing a phase optimal design. As a result, it is possible to obtain a flow path which satisfies the objective function and the constraint condition set by a user in a given design area without an initial shape, and to prevent flow loss and increase efficiency in an operating environment. Also, it has the effect of shortening the design time of a basic design stage in a development process.

Description

유체시스템 최적설계방법 {Optimum design method for fluid system}{Optimum design method for fluid system}

본 발명은 유체시스템 최적설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초기 형상 없이 주어진 설계영역 내에서 사용자가 설정한 목적함수 및 구속조건을 만족하는 유로를 얻을 수 있으며, 유동 손실을 개선하여 작동환경에서의 효율을 높일 수 있는 유체시스템 최적설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of optimizing a fluid system, and more particularly, to a fluid system optimization method capable of obtaining a flow path satisfying an objective function and constraint conditions set by a user in a given design area without an initial shape, The present invention relates to a method for optimizing a fluid system.

유체가 흐르는 유로는 일반적으로 직관부(straight pipe)와 곡관부(bent pipe)로 구성된다. 이 중 곡관부는 복잡한 유동구조로 인해 유로 전체 압력손실의 50 내지 60% 정도가 곡관부에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 유체가 흐르는 유로를 설계함에 있어 유체시스템의 고효율화를 위해 구성요소의 유로손실을 최소화하는 곡관부 설계가 매우 중요하다. 기존에는 설계자의 경험과 직관을 바탕으로 유로 설계가 진행되고, 시행착오를 통해 유로 설계 개선이 이루어졌다. 이 경우 설계에서 적용까지 오랜 시간이 걸릴 뿐만 아니라 초기 설계 형태를 벗어나기 힘들다는 단점이 있다. 따라서 이러한 문제점을 획기적으로 개선할 수 있도록 개념설계 단계에서 유동 손실을 개선하여 작동환경에서의 효율을 높일 수 있는 고효율 유체시스템 설계기술이 필요한 실정이다.The fluid flow path generally consists of a straight pipe and a bent pipe. It is known that the curved part has a complicated flow structure and therefore, about 50 to 60% of the total pressure loss of the flow path occurs in the bending part. Therefore, it is very important to design the bending section to minimize the flow loss of the components in order to increase the efficiency of the fluid system in designing the flow path of the fluid. In the past, the design of the channel was made based on the experience and intuition of the designer, and the design of the channel was improved through trial and error. In this case, it takes a long time from design to application and it is difficult to get out of the initial design form. Therefore, in order to improve these problems drastically, it is necessary to design a high-efficiency fluid system that can improve the efficiency in the operating environment by improving the flow loss in the concept designing stage.

종래기술의 경우에는 유체의 압력손실 저감을 위한 유체시스템 설계가 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 크게 두 가지로 이루어졌다. 도 1은 유로의 곡관부에 가이드 베인(guide vane)을 설치하는 것이고, 도 2는 유로의 내벽 및 외벽의 형상을 수정하는 것이다. 도 1과 같이 가이드 베인을 부착한 유로의 경우, 곡관부에서 발생하는 큰 압력구배를 감소시켜주는 역할을 하지만 블레이드의 무게를 증가시켜 원심력에 의한 응력의 증가를 수반하며 제작이 어렵다는 단점이 있다. 또한 도 2와 같이 유로의 내벽 및 외벽 형상을 수정하는 경우, 유로의 단면적 변화를 통해 내부의 압력구배와 이차유동의 발생을 저감시켜 준다. 하지만 이는 주로 설계자의 경험과 직관을 통해 설계되거나 유한한 설계변수를 설정하여 최적화하는 방식으로 설계되므로 한계를 갖는다.In the prior art, the fluid system design for reducing the pressure loss of the fluid has been largely made as shown in Figs. 1 and 2. Fig. 1 shows a guide vane provided in the bending portion of the flow path, and Fig. 2 shows a modification of the shape of the inner wall and the outer wall of the flow path. As shown in FIG. 1, the flow path with the guide vane reduces the large pressure gradient generated in the bending portion but increases the weight of the blade to increase the stress due to the centrifugal force. As shown in FIG. 2, when the inner wall and outer wall shape of the flow path are modified, the pressure gradient inside the flow path and the occurrence of the secondary flow are reduced through the change of the cross-sectional area of the flow path. However, this is limited because it is designed by optimizing design variables or finite design variables through the experience and intuition of designers.

이와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근에는 형상최적설계(shape optimization)를 사용하고 있다. 형상최적설계는 주어진 설계변수(design parameter)와 경계조건(boundary condition)에 대하여 목적함수(objective function)가 최대 또는 최소로 됨과 동시에 구속조건(constraint)들을 만족시키는 설계변수를 결정하는 수학적 방법에 의한 설계방법이다. 하지만 형상최적설계의 경우에도 주어진 유로의 기본 형상을 바탕으로 형상을 변수로 하여 최적화하므로 형상의 초기형태는 설계과정에서 크게 변하지 않는다.In order to solve such problems, shape optimization is recently used. The shape optimization is based on mathematical methods to determine the design variables that satisfy the constraints with the objective function maximized or minimized for a given design parameter and boundary condition. Design method. However, in the case of shape optimization, the initial shape of the shape does not change much during the design process because the shape is optimized based on the basic shape of the given channel.

대한민국특허청 공개특허 제10-2005-0007941호Korean Patent Application Publication No. 10-2005-0007941 대한민국특허청 등록특허 제10-1072597호Korea Patent Office Registration No. 10-1072597

따라서 본 발명의 목적은, 초기 형상 없이 주어진 설계영역 내에서 사용자가 설정한 목적함수 및 구속조건을 만족하는 유로를 얻을 수 있으며, 유동 손실을 개선하여 작동환경에서의 효율을 높일 수 있는 유체시스템 최적설계방법을 제공하는 것이다.Therefore, it is an object of the present invention to provide a fluid system that can obtain a flow path that satisfies an objective function and a constraint set by a user in a given design area without an initial shape, And to provide a design method.

또한 개발 과정에 있어 기본 설계단계에서의 설계 시간을 단축시킬 수 있는 유체시스템 최적설계방법을 제공하는 것이다.It also provides a method for optimizing the fluid system that can shorten the design time in the basic design stage in the development process.

상기한 목적은, 유체의 흐름을 통해 유로를 설계가능하도록 유체의 입구 및 출구를 포함하는 설계영역을 설정하는 단계와; 상기 설계영역을 이산화(discretization)하는 단계와; 상기 설계영역의 작동조건에 해당하는 경계조건을 설정하는 단계와; 위상최적설계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법에 의해서 달성된다.The above-mentioned object is achieved by a method of designing a fluid, comprising: setting a design area including an inlet and an outlet of a fluid so as to design a flow path through a flow of fluid; Discretizing the design area; Setting a boundary condition corresponding to an operating condition of the design area; And performing a topology optimization of the fluid system.

여기서, 설계영역을 설정하는 단계는, 별도의 유로 형상이 정해져 있지 않은 2차원 또는 3차원 영역을 설계영역으로 설정하며, 상기 설계영역을 이산화하는 단계는, 위상최적설계 방법을 이용하여 상기 설계영역을 다공성 물질(porous medium)로 가정하고, 상기 설계영역을 유한 개의 요소(element)로 이산화하는 것이 바람직하다.Here, the step of setting the design region sets a two-dimensional or three-dimensional region in which a channel shape is not defined as a design region, and the step of discretizing the design region includes: Is assumed to be a porous medium and it is desirable to discretize the design area into finite number of elements.

상기 위상최적설계를 수행하는 단계는, 주어진 상기 경계조건에 대하여 유동해석을 수행하는 단계와; 목적함수에 대한 각 요소의 민감도를 해석하는 단계와; 민감도에 따른 각 요소의 설계변수를 변경하면서 상기 목적함수가 수렴조건을 만족할 때까지 반복 계산을 수행하는 단계를 포함하는데, 상기 설계변수는 투과율이며, 민감도를 바탕으로 상기 설계영역 내에서 각 요소의 투과율을 조정하여 유동 손실에 기여하는 상기 설계영역들의 투과율을 증가시키고, 증가된 투과율로 인해 유동 부하가 커져 유동 속도가 감소하여 유체가 지나가지 못하는 영역을 고체화하는 것이 바람직하다.Wherein performing the phase optimal design comprises: performing a flow analysis for a given boundary condition; Interpreting the sensitivity of each element to an objective function; And performing an iterative calculation until the objective function meets a convergence condition while changing a design parameter of each element according to the sensitivity, wherein the design parameter is a transmittance, and based on the sensitivity, It is preferable to increase the transmittance of the design regions contributing to the flow loss by adjusting the transmittance and to solidify the region where the flow rate is decreased due to the increase of the flow rate due to the increased transmittance,

또한, 상기 위상최적설계를 수행하는 단계 이후에, 최종 설계위상을 도출 및 추출하는 단계와; 상기 설계위상 표면을 재구성하는 단계와; 상기 설계위상을 전산해석을 통해 검증하는 단계를 포함하며, 상기 최종 설계위상을 도출 및 추출하는 단계는, 최종 설계위상을 점 데이터로 추출하며, 상기 설계위상 표면을 재구성하는 단계는, 균일하지 않은 상태의 상기 점 데이터를 균일하게 재구성하는 것이 바람직하다.Further, after performing the phase optimal design, deriving and extracting a final design phase; Reconstructing the design phase surface; Wherein the step of extracting and extracting a final design phase comprises extracting a final design phase as point data and reconstructing the design phase surface comprises: It is preferable to uniformly reconstruct the point data of the state.

상기 설계위상을 전산해석을 통해 검증하는 단계는, CAD(computer aided design)로 변환한 형상을 이용하여 전산해석을 수행하는 것이 바람직하다.In the step of verifying the design phase through computational analysis, it is preferable to perform computational analysis using a shape converted to CAD (computer aided design).

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 초기 형상 없이 주어진 설계영역 내에서 사용자가 설정한 목적함수 및 구속조건을 만족하는 유로를 얻을 수 있으며, 유동 손실을 개선하여 작동환경에서의 효율을 높일 수 있는 유체시스템 최적설계방법을 적용할 수 있다.According to the structure of the present invention described above, it is possible to obtain a flow path that satisfies the objective function and the constraint condition set by the user in a given design area without an initial shape, and can improve fluidity The system optimum design method can be applied.

또한 개발 과정에 있어 기본 설계단계에서의 설계 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.Also, it has the effect of shortening the design time in the basic design stage in the development process.

도 1 및 도 2는 종래의 유체시스템 최적설계방법을 나타낸 도면이고,
도 3 및 도 4는 유체시스템 최적설계방법의 순서도이고,
도 5는 내부 유로 곡관부 최적설계를 위한 설계영역을 나타내는 도면이고,
도 6는 위상최적설계 후 도출된 최종 위상 추출 및 CAD 변환과정을 나타낸 도면이고,
도 7은 위상최적설계를 통해 도출된 내부 유로 곡관부의 최종 형상이고,
도 8은 도출된 형상에 대하여 전산해석 수행을 위한 유동 도메인 설정을 나타내는 도면이고,
도 9는 최적화된 곡관부 내 중간평면에서의 압력분포를 나타낸 도면이고,
도 10은 중간평면에서의 전압력 분포 및 속도장을 나타낸 도면이고,
도 11은 곡관부 내 압력분포를 나타낸 그래프이다.
1 and 2 are views showing a conventional method of optimizing a fluid system,
Figures 3 and 4 are flow charts of the fluid system optimization design method,
5 is a view showing a design area for the optimum design of the internal flow path bending part,
FIG. 6 is a diagram illustrating a final phase extraction and a CAD conversion process derived after the phase optimal design,
FIG. 7 is a final shape of the internal passage bending portion derived through the phase optimum design,
8 is a diagram showing a flow domain setting for performing computational analysis on the derived shape,
9 is a view showing a pressure distribution in an intermediate plane in the optimized bending portion,
10 is a view showing a distribution of voltage and a velocity field in an intermediate plane,
11 is a graph showing the pressure distribution in the bending portion.

이하 본 발명의 실시예에 따른 유체시스템 최적설계방법을 도면을 통해 상세히 설명한다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, a method of optimizing a fluid system according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명은 위상최적설계를 이용한 유체시스템의 최적설계방법에 관한 것으로, 구체적으로는 유체시스템을 다공성 물질로 가정하고 유한요소 모델을 정식화하여 목적함수에 대하여 민감도에 따라 설계변수를 조정하는 위상최적설계(topology optimization)를 이용한 유체시스템 설계방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 기체 또는 액체와 같이 어떠한 유체시스템이라도 주어진 설계영역 내에서 압력손실을 최소화할 수 있는 형태의 유로를 도출할 수 있다. 이와 같은 유체시스템 최적설계방법은 다음과 같은 단계로 이루어진다.The present invention relates to a method of optimizing a fluid system using a phase optimal design and more specifically to a method of optimizing a fluid system by assuming a fluid system as a porous material and formulating a finite element model, and a method of designing a fluid system using topology optimization. According to the present invention, it is possible to derive a flow path of any fluid system, such as gas or liquid, which can minimize pressure loss within a given design area. The optimal design method of the fluid system is as follows.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 먼저, 설계영역을 설정한다(1).As shown in FIGS. 3 and 4, first, a design area is set (1).

유체의 흐름을 통해 유로를 설계가능하도록 유체의 입구 및 출구를 포함하는 설계영역(design space)을 설정한다. 유체의 입구 및 출구는 유로의 형상에 따라 설정 가능하며, 유체가 유입되는 경로와 배출되는 경로에 맞춰 적절하게 설정한다. 이때 설계영역의 설정은 별도의 유로 형상이 정해져 있지 않은 박스 형상의 공간으로부터 유체의 입구 및 출구를 설정할 수 있다. 도 5는 내부 유로 곡관부 최적설계를 위한 설계영역을 나타내는 도면으로, 이러한 설계영역은 2차원 또는 3차원 영역을 모두 최적설계가 가능하다.A design space including the inlet and outlet of the fluid is set so that the flow path can be designed through the fluid flow. The inlet and outlet of the fluid can be set according to the shape of the flow path, and it is set appropriately according to the flow path and the flow path of the fluid. At this time, the setting of the design area can set the inlet and the outlet of the fluid from the box-shaped space in which a separate channel shape is not defined. FIG. 5 is a view showing a design region for the optimum design of the inner flow path bending portion, and this design region can be designed to optimize both two-dimensional or three-dimensional regions.

종래의 경우에는 유로의 최적설계를 위해 기본으로 준비된 유로의 형상으로부터 요소를 구분하여 변수들을 조절하면서 설계를 진행하였다. 이와 같이 변수들을 조절하면서 유로를 설계할 경우 변수화 과정에서 변수 조절을 통한 전산 해석을 수십 내지 수백 번 반복이 이루어져야 하며, 이로 인해 설계 작업 시간이 일주일 이상 걸리는 경우도 있어 작업 효율이 떨어진다는 단점이 있다.In the conventional case, the design was performed while adjusting the parameters by dividing the elements from the shape of the flow path prepared for the optimum flow path design. In the case of designing the flow path while controlling the variables as described above, it is necessary to repeat the computation analysis by controlling the variables in the parameterization process several tens to several hundred times, which causes the design work time to take more than a week, .

하지만 이러한 종래와는 달리 본 발명의 경우 기본 유로 형상이 존재하지 않고 유체시스템이 설치될 공간만 주어지면 변수화 없이 최적화된 유로 형상을 얻을 수 있다.However, unlike the conventional art, when the basic flow path shape is not present and only the space for installing the fluid system is provided, an optimized flow path shape can be obtained without any parameterization.

설계영역을 이산화한다(2).Disseminate the design domain (2).

1 단계를 통해 설정된 설계영역을 이산화(discretization)한다. 이는 설계영역을 요소화하는 작업으로 본 발명은 위상최적설계 방법을 이용하여 주어진 설계영역을 다공성 물질(porous medium)로 가정하고, 설계영역을 유한 개의 요소(element)로 이산화한다. 이를 통해 목적함수가 최대 또는 최소로 됨과 동시에 구속조건들을 만족시키도록 개별요소가 설계변수가 된다. 설계변수는 각 요소의 투과율에 해당하며, 이러한 요소의 크기가 작으면 작을수록 최종 도출 형상이 매끄럽게 이루어진다. 이때 요소의 형태는 격자(mesh)라고도 하며, 정렬격자, 비정렬격자를 모두 적용 가능하다.And discretization of the design area set through the first step. This is an operation for elementizing a design domain. The present invention assumes a given design domain as a porous medium by using a phase optimal design method, and discretizes a design domain into finite elements. In this way, the objective function becomes the maximum or the minimum, and at the same time, the individual element becomes the design variable so as to satisfy the constraints. The design variables correspond to the transmittance of each element, and the smaller the size of these elements, the smoother the final derived shape. At this time, the shape of the element is also called a mesh, and it is possible to apply both the alignment grid and the non-alignment grid.

경계조건을 설정한다(3).Set boundary conditions (3).

선정된 유체 설계영역의 작동조건에 해당하는 경계조건을 설정한다. 여기서 경계조건은 유체의 입구 및 출구와 같은 경계면에서의 속도, 압력 등의 조건을 의미하며, 이러한 조건을 부가하여 설정한다.The boundary condition corresponding to the operating condition of the selected fluid design area is set. Here, the boundary condition means conditions such as velocity and pressure at the interface such as the inlet and outlet of the fluid, and these conditions are additionally set.

위상최적설계를 수행한다(4).Phase optimal design is performed (4).

위상최적설계는 주어진 경계조건에 대하여 유동해석을 수행하는 단계와, 목적함수에 대한 각 요소의 민감도를 해석하는 단계와, 민감도에 따른 각 요소의 설계변수를 변경하면서 목적함수가 수렴조건을 만족할 때까지 반복 계산을 수행하는 단계로 이루어진다. 여기서 설계변수는 투과율을 의미한다.The phase optimal design consists of performing the flow analysis for a given boundary condition, analyzing the sensitivity of each element to the objective function, and changing the design parameters of each element according to the sensitivity, when the objective function satisfies the convergence condition And then performing the iterative calculation up to the time t. Here, the design parameter means the transmittance.

위상최적설계는 주어진 유체시스템에 대하여 향상시키고자 하는 목적함수와 구속조건으로 구성된다. 본 발명에서의 목적함수는 유체시스템의 입구 및 출구 압력강하를 최소화하는 것, 즉 유동손실을 최소화하는 것이고, 구속조건은 설계에서 변경할 수 없는 상수를 의미한다.The topology optimization consists of objective functions and constraints that are to be improved for a given fluid system. The objective function in the present invention is to minimize the inlet and outlet pressure drop of the fluid system, that is to minimize the flow loss, and the constraint means a constant that can not be changed in the design.

또한 최적의 위상설계안을 찾아가기 위해 설계변수의 방향을 탐색하는 것을 민감도 해석(sensitivity analysis)이라고 한다. 본 발명에서 다공성 물질로 가정된 유체시스템의 목적함수는 시스템 입구 및 출구의 압력차이를 최소화하는 것에 해당하며, 주어진 유체시스템에 경계조건을 입력하면 압력강하를 최소화하는 최적의 형상을 얻을 수 있다. 유체시스템의 위상최적설계는 주어진 설계 영역을 사용하여 입구 및 출구 압력강하를 최소화하는 위상을 도출하는 형태로 하기의 식 1과 같이 정식화할 수 있다. 여기서 J는 목적함수, R은 상태방정식, u는 속도, p는 압력, α는 설계변수(투과율), v는 동점성 계수, D는 전단변형률을 나타낸다.Also, the search for the direction of the design variables to find the optimal phase design is called the sensitivity analysis. The objective function of the fluid system assumed as a porous material in the present invention corresponds to minimizing the pressure difference between the inlet and the outlet of the system. Entering the boundary condition in a given fluid system, an optimum shape minimizing the pressure drop can be obtained. The phase optimal design of the fluid system can be formulated as follows to derive a phase that minimizes inlet and outlet pressure drops using a given design area: Where J is the objective function, R is the state equation, u is the velocity, p is the pressure, α is the design variable (transmittance), v is the kinematic viscosity and D is the shear strain.

<식 1><Formula 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에서는 식 2와 같이 다공성 매질로 가정한 정상상태 Navier-Stokes 지배방정식을 이용하여 비압축성 및 압축성에도 적용이 가능하다.The present invention can be applied to incompressibility and compressibility by using the steady-state Navier-Stokes governing equation as a porous medium as shown in Equation (2).

<식 2><Formula 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

투과율(α)이 0일 때, 유동에 저항에 없게 되며 운동량 방정식은 정상상태 Navier-Stokes 식으로 나타난다. 투과율이 증가하면 다공성 매질에서 유체는 저항을 받게 되고, 투과율이 충분히 크면 유체의 속도는 거의 0에 근접하면서 영역을 고체로 인식하게 된다. 즉, 설계영역 내에서 각 요소의 투과율을 조정하여 최적 형상을 도출하게 된다. 또한 유동해석에는 유한체적법(finite volume method)을 이용한 수치해석(numerical analysis)을 수행한다. 유한체적법은 대상이 되는 영역을 유한 개의 요소로 나누어 현상을 근사적으로 구하는 방법이다. 본 단계에서는 목적함수의 민감도 계산을 위해 연속 adjoint 방법을 이용하였다. 각 요소에 대한 라그랑지 함수(L)는 식 3과 같다.When the permeability (α) is 0, the flow is not in resistance and the momentum equation is expressed by the steady-state Navier-Stokes equation. As the permeability increases, the fluid in the porous medium becomes resistive, and when the permeability is sufficiently large, the velocity of the fluid approaches zero and the region is recognized as a solid. That is, the optimum shape is derived by adjusting the transmittance of each element in the design region. Numerical analysis using the finite volume method is also performed for the flow analysis. The finite volume method is a method of approximating the phenomenon by dividing the target region into finite number of elements. In this step, the continuous adjoint method is used to calculate the sensitivity of the objective function. The Lagrangian function ( L ) for each element is shown in Equation 3.

<식 3><Formula 3>

Figure pat00003
Figure pat00003

목적함수(J)는 식 4와 같이 주어진 유체시스템의 경계면에서의 압력차이로 한다.The objective function ( J ) is the pressure difference at the interface of a given fluid system, as shown in equation (4).

<식 4><Formula 4>

Figure pat00004
Figure pat00004

라그랑지 함수(L)를 최적화하기 위해서는 식 5에 기재된 조건들이 만족해야 한다,To optimize the Lagrangian function ( L ), the conditions described in Eq. 5 must be satisfied.

<식 5>&Lt; EMI ID =

Figure pat00005
Figure pat00005

각 요소의 목적함수에 대한 민감도는 식 6을 통해 계산된다.The sensitivity of each element to the objective function is calculated by Equation (6).

<식 6>&Lt; EMI ID =

Figure pat00006
Figure pat00006

식 6을 통해 계산된 민감도를 통해 최속강하법(steepest descent method)를 이용하여 각 요소의 투과율을 식 7과 같이 변경시키는 단계를 반복하여 유체시스템의 설계 위상을 도출한다. 여기서 n은 반복횟수를 의미한다.The design phase of the fluid system is derived by repeating the step of changing the transmittance of each element as shown in Equation 7 using the steepest descent method through the sensitivity calculated by Equation 6. Where n is the number of repetitions.

<식 7>Equation (7)

Figure pat00007
Figure pat00007

이와 같은 식을 통해 각 설계영역들의 목적함수에 대한 민감도를 계산하고, 계산된 민감도를 바탕으로 설계영역 내에서 각 요소의 투과율을 조정한다. 이는 유동 손실에 기여하는 설계영역들의 투과율을 증가시키고, 증가된 투과율로 인해 유동 부하가 커져 유동 속도가 감소하게 된다. 이에 의해 유체가 지나가지 못하는 영역을 고체화한다.Using this equation, the sensitivity of the objective function of each design area is calculated, and the transmittance of each element is adjusted in the design area based on the calculated sensitivity. This increases the transmittance of the design areas contributing to the flow loss, and the flow rate increases due to the increased flow load due to the increased transmittance. Thereby solidifying a region where the fluid can not pass.

최종 설계위상을 도출 및 추출한다(5, 6).The final design phase is derived and extracted (5, 6).

4 단계의 식을 통해 투과율을 변경하면서 목적함수가 수렴조건을 만족할 때까지 반복 계산을 수행하고, 수렴조건이 만족된 최적의 설계위상을 도출한다. 그 다음 최종 설계위상을 점 데이터로 추출한다.By varying the transmittance through the equation of four steps, the iterative calculation is performed until the objective function satisfies the convergence condition, and the optimum design phase satisfying the convergence condition is derived. The final design phase is then extracted as point data.

최종 설계위상의 표면을 재구성한다(7).Reconstruct the surface of the final design phase (7).

5 및 6 단계를 통해 추출된 점 데이터들의 표면이 균일하지 않은 상태이기 때문에, 최종 설계위상의 표면을 재구성하여 점 데이터들의 표면을 균일하게 형성한다. 이는 CAD(computer aided design)로 변환을 위해 표면을 매끄럽게 하는 단계이다.Since the surfaces of the point data extracted through steps 5 and 6 are in an uneven state, the surface of the final design phase is reconstructed to uniformly form the surface of the point data. This is the step of smoothing the surface for conversion to CAD (computer aided design).

전산해석을 통해 검증한다(8).It is verified by computer analysis (8).

CAD로 변환한 형상을 이용하여 전산해석을 수행하여 최종 설계위상의 성능을 검증한다. CAD 변환을 통해 얻어지는 유로는 도 6을 통해 확인할 수 있다. 도 6은 유체시스템 위상최적설계 후 도출된 최종 위상 추출 및 CAD 변환 과정을 나타낸 것으로, 최종 위상에서 포인트 데이터를 추출하고, 표면을 삼각화한 후 CAD 변환을 수행한다. 이와 같은 단계를 통해 최종으로 도출되는 내부 유로 곡관부는 도 7을 통해 확인할 수 있으며, 유체가 이동함에 있어 압력이 저하되는 지점은 고체화를 통해 제거된 상태로 이루어져 유동 손실을 최소화한 유로 형상을 얻을 수 있게 된다. 도 8은 도출된 형상에 대하여 전산해석 수행을 위한 유동 도메인 설정을 나타내는 도면이다.The performance of the final design phase is verified by computerized analysis using the CAD converted shape. The flow path obtained through the CAD conversion can be confirmed from FIG. FIG. 6 shows the final phase extraction and CAD conversion process derived after the fluid system topology optimization. The point data is extracted from the final phase, and the surface is triangulated and CAD conversion is performed. The internal flow path bending portion finally obtained through the above steps can be seen from FIG. 7, and the point where the pressure is lowered when the fluid moves is removed through solidification to obtain a flow path shape minimizing the flow loss . 8 is a diagram showing a flow domain setting for performing computational analysis on the derived shape.

도 9는 전산해석 결과 최적화된 곡관부 내 중간평면에서의 압력분포를 나타낸 것이고, 도 10은 최적화된 곡관부 내 중간평면에서의 전압력 분포 및 속도장을 나타낸 도면이다. 본 발명을 통해 설계된 곡관부는 유체가 곡관부 진입 이전에 유로 단면적을 감소시켜 유동 모멘텀(momentum)을 증가시키고, 이를 통해 곡관부 내의 압력구배를 완화시켜 준다. 곡관부 내에서도 부분적으로 유로 단면적 증감으로 인해 압력구배가 완화되어 이차유동(secondary flow)의 강도가 감소되며, 곡관부를 통과한 이후 유로의 단면적이 점진적으로 증가함에 따라 큰 압력손실을 발생시키는 유동박리(flow seperation)가 발생하는 영역의 크기가 감소한다. 또한 유동이 내벽의 형상을 잘 따라감에 의해 유동 재부착(reattachment) 현상도 사라지는 것을 확인할 수 있다.FIG. 9 shows the pressure distribution in the intermediate plane in the optimized bending section as a result of the computer analysis, and FIG. 10 shows the distribution of the voltage and the velocity field in the intermediate plane in the optimized bending section. The bend section designed through the present invention reduces fluid cross-sectional area prior to fluid entry into the bend section, thereby increasing flow momentum and thereby relieving pressure gradient within the bend section. In the bending part, the pressure gradient is partially relaxed due to the increase or decrease of the cross-sectional area of the passage part, and the strength of the secondary flow is decreased. Since the cross-sectional area of the passage increases gradually after passing through the bending part, the size of the region where flow seperation occurs is reduced. In addition, it can be seen that the phenomenon of flow reattachment disappears as the flow follows the shape of the inner wall well.

도 11은 곡관부 내의 압력분포를 나타낸 그래프이다. 전산해석을 통해 얻은 유로 내부의 압력분포를 나타낸 것으로, 입구 압력이 동일할 때 본 발명으로 설계한 곡관부의 압력손실이 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.11 is a graph showing the pressure distribution in the bending portion. The pressure distribution inside the flow path obtained through the computer analysis is shown. When the inlet pressure is the same, the pressure loss of the bending portion designed by the present invention is remarkably reduced.

종래에는 형상최적설계를 이용하여 주어진 유로의 기본 형상을 바탕으로 형상을 변수로 하여 최적화하므로 기본 형상이 존재해야 하며, 형상의 초기형태는 설계과정에서 크게 변하지 않았다. 하지만 본 발명은 위상최적설계를 이용하여 초기 형상 없이 주어진 설계영역 내에서 사용자가 설정한 목적함수 및 구속조건을 만족하는 유로를 얻을 수 있으며, 유동 손실을 개선하여 작동환경에서의 효율을 높일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.Conventionally, a shape has to be present because the shape is optimized based on the basic shape of a given channel using the shape optimum design, and the initial shape of the shape has not changed much during the design process. However, according to the present invention, it is possible to obtain a flow path that satisfies an objective function and constraint conditions set by a user in a given design area without an initial shape by using a phase optimal design, Effect can be obtained.

Claims (8)

유체시스템 최적설계방법에 있어서,
유체의 흐름을 통해 유로를 설계가능하도록 유체의 입구 및 출구를 포함하는 설계영역을 설정하는 단계와;
상기 설계영역을 이산화(discretization)하는 단계와;
상기 설계영역의 작동조건에 해당하는 경계조건을 설정하는 단계와;
위상최적설계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
In a fluid system optimal design method,
Setting a design area including an inlet and an outlet of the fluid so as to design the flow path through the flow of the fluid;
Discretizing the design area;
Setting a boundary condition corresponding to an operating condition of the design area;
And performing a topology optimization of the fluid system.
제 1항에 있어서,
설계영역을 설정하는 단계는,
별도의 유로 형상이 정해져 있지 않은 2차원 또는 3차원 영역을 설계영역으로 설정하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 1,
The step of setting the design area includes:
Dimensional region or a three-dimensional region in which a separate flow path shape is not defined is set as a design region.
제 1항에 있어서,
상기 설계영역을 이산화하는 단계는,
위상최적설계 방법을 이용하여 상기 설계영역을 다공성 물질(porous medium)로 가정하고, 상기 설계영역을 유한 개의 요소(element)로 이산화하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 1,
The step of discretizing the design area comprises:
Wherein the design area is assumed to be a porous medium using a topology optimization method and the design area is discretized into finite elements.
제 1항에 있어서,
상기 위상최적설계를 수행하는 단계는,
주어진 상기 경계조건에 대하여 유동해석을 수행하는 단계와;
목적함수에 대한 각 요소의 민감도를 해석하는 단계와;
민감도에 따른 각 요소의 설계변수를 변경하면서 상기 목적함수가 수렴조건을 만족할 때까지 반복 계산을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 1,
Wherein performing the phase optimal design comprises:
Performing a flow analysis for a given boundary condition;
Interpreting the sensitivity of each element to an objective function;
And performing the iterative calculation until the objective function meets the convergence condition while changing the design parameter of each element according to the sensitivity.
제 4항에 있어서,
상기 설계변수는 투과율이며,
민감도를 바탕으로 상기 설계영역 내에서 각 요소의 투과율을 조정하여 유동 손실에 기여하는 상기 설계영역들의 투과율을 증가시키고, 증가된 투과율로 인해 유동 부하가 커져 유동 속도가 감소하여 유체가 지나가지 못하는 영역을 고체화하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
5. The method of claim 4,
The design parameter is the transmittance,
The permeability of each element in the design region is adjusted based on the sensitivity to increase the transmittance of the design regions contributing to the flow loss and the region where the flow can not pass due to the increased flow rate due to the increased flow rate, Is solidified. &Lt; / RTI &gt;
제 1항에 있어서,
상기 위상최적설계를 수행하는 단계 이후에,
최종 설계위상을 도출 및 추출하는 단계와;
상기 설계위상 표면을 재구성하는 단계와;
상기 설계위상을 전산해석을 통해 검증하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 1,
After performing the phase optimal design,
Deriving and extracting a final design phase;
Reconstructing the design phase surface;
And verifying the design phase through a computational analysis.
제 6항에 있어서,
상기 최종 설계위상을 도출 및 추출하는 단계는,
최종 설계위상을 점 데이터로 추출하며,
상기 설계위상 표면을 재구성하는 단계는,
균일하지 않은 상태의 상기 점 데이터를 균일하게 재구성하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 6,
The step of deriving and extracting the final design phase comprises:
The final design phase is extracted as point data,
Wherein reconstructing the design phase surface comprises:
Wherein the point data in the non-uniform state is uniformly reconstructed.
제 6항에 있어서,
상기 설계위상을 전산해석을 통해 검증하는 단계는,
CAD(computer aided design)로 변환한 형상을 이용하여 전산해석을 수행하는 것을 특징으로 하는 유체시스템 최적설계방법.
The method according to claim 6,
Wherein the step of verifying the design phase through computational analysis comprises:
Wherein a computer aided design (CAD) shape is used to perform computational analysis.
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