Robust Optimisation of Ultrasonic Flow Meters by Computational Fluid Dynamics and Enhanced Turbulence Modelling

Bidragets oversatte titel: Robust Optimering af Ultralydsflowmålere ved brug af Beregningsmæssig Strømningsdynamik og Forbedret Turbulensmodellering

Publikation: Bog/antologi/afhandling/rapportPh.d.-afhandling

10 Downloads (Pure)

Abstract

En nøjagtig måling af fluidstrømninger er essentiel indenfor en bred vifte af industrielle applikationer. I dette henseende præsenterer ultralyd-flowmålere en nøjagtig og omkostningseffektiv løsning; disse systemer introducerer dog udfordringer grundet deres komplekse geometri og interaktion med fluidstrømningerne. Derfor er forståelsen af deres dynamiske rolle afgørende for forbedring af deres design og drift. Samtidig har datadrevne metoder til turbulensmodellering vist sig som et lovende værktøj til at forbedre præcisionen i simuleringer af fluidstrømninger. Denne ph.d.-afhandling fokuserer på at bygge bro mellem disse to områder ved at forudsige komplekse fluidstrømninger i ultralyd-flowmålere, udvikle en robust metode til deres geometriske optimering, og forbedre eksisterende Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) turbulensmodeller med progressive og generaliserbare datadrevne metoder.

Der er udviklet en metode baseret på computational fluid dynamics (CFD) til at forudsige fluidstrømningerne i ultralyd-flowmålere ved hjælp af RANS k-ω SST. Metoden er eksperimentelt valideret med laser Doppler velocimetri og tryktabseksperimenter for hele driftsområdet af disse systemer. Derefter styres en række simuleringer af surrogate og Bayesianske multi-objektive optimeringsmetoder for at levere forbedrede geometriske designs. Disse forbedrede geometrier optimeres yderligere ved hjælp af en adjoint-baseret formoptimeringsmetode, der muliggør tredimensionel formændring af geometrien, hvilket muliggør større forbedringer, der ikke kan opnås ved traditionelle ingeniørmetoder.

Inden for datadreven turbulensmodellering findes to centrale kritiske aspekter: generalisering og konsistensen af a posteriori resultater. Denne afhandling adresserer disse udfordringer gennem en systematisk tilgang, der kombinerer de CFD-drevne optimeringsteknikker, der er udviklet til forbedring af flowmåleren, med en progressiv strategi for augmentering af k-ω SST turbulensmodellen. Målet er at forbedre forudsigelsen af turbulensbaserede sekundære strømninger og flowseparation (to almindelige udfordringer i fluidstrømningssimuleringer) uden at ændre den oprindelige models vellykkede forudsigelse af den logaritmiske lov. To korrektionstermer er omhyggeligt defineret og indført i henholdsvis bevægelsesligningerne og transportligningerne for den specifikke dissipationshastighed (ω). Efter omfattende numerisk verifikation, viser de augmenterede modeller betydelige forbedringer i forudsigelsen af sekundære strømninger, løsrivelse og gentilknytning i grænselag, samt friktionskoefficienter i både trænings- og testsenarier, hvilket bekræfter deres a posteriori pålidelighed og generalisering.

Afslutningsvis præsenterer denne ph.d.-afhandling en robust og omkostningseffektiv metode til systematiske forbedringer af præstationen for komplekse ingeniørsystemer baseret på CFD-simuleringer. Derudover er der udviklet to generaliserbare metoder til at forbedre turbulensmodellering baseret på datadrevne progressive tilgange. Ved at adressere udfordringer i forbindelse med flowseparation og forudsigelse af sekundære strømninger i komplekse geometrier, sammen med design- og formoptimeringsteknikker, bidrager denne forskning til mere nøjagtige forudsigelser af fluidstrømninger og simuleringsbaseret optimering, hvilket gavner industrier som er afhængige af præcise flowmålinger og simuleringer. Samspillet mellem datadreven modellering og kompleks systemoptimering demonstrerer potentiale for innovative løsninger inden for både turbulensmodellering og flowmåleteknologier med brede implikationer inden for akademiske og industrielle ingeniørsektorer.
Bidragets oversatte titelRobust Optimering af Ultralydsflowmålere ved brug af Beregningsmæssig Strømningsdynamik og Forbedret Turbulensmodellering
OriginalsprogEngelsk
ForlagAarhus University
Antal sider171
StatusUdgivet - jan. 2024

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Robust Optimering af Ultralydsflowmålere ved brug af Beregningsmæssig Strømningsdynamik og Forbedret Turbulensmodellering'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater