Συμβολή στην αεροδυναμική βελτιστοποίηση αγωνιστικού μονοθέσιου FSAE μέσω OpenFOAM και συνεχών συζυγών μεθόδων - Τσιολάκης, Βασίλειος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Ρευστών. Εργαστήριο Θερμικών Στροβιλομηχανών, 2015)
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η προσαρμογή υπάρχουσας μεθόδου (και λογισμικού) για το σχεδιασμό-βελτιστοποίηση αεροδυναμικών μορφών που αναπτύχθηκε στη Μονάδα Παράλληλης Υπολογιστικής Ρευστοδυναμικής & Βελτιστοποίησης του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών (ΜΠΥΡ& Β/ΕΘΣ) του ΕΜΠ και τη χρήση της για τον αεροδυναμικό σχεδιασμό - βελτιστοποίηση ενός αγωνιστικού μονοθέσιου τύπου FSAE. Το FSAE είναι ένας διεθνής φοιτητικός διαγωνισμός σχεδιασμού αγωνιστικών μονοθέσιων. Τα μονοθέσια αυτά κατασκευάζονται και συμμετέχουν (οδηγούμενα από σπουδαστές) σε δυναμικά και στατικά αγωνίσματα, βάσει των οποίων κρίνονται ως προς τις επιδόσεις τους και πολλά επιπλέον χαρακτηριστικά τους. Συνεπώς, υπάρχει μεγάλος αριθμός κανονισμών που στοχεύουν στην ασφάλεια των συμμετεχόντων. Αυτό ισοδυναμεί με πολλούς περιορισμούς που πρέπει να ικανοποιούνται καθ’ όλη τη διαδικασία σχεδιασμού και βελτιστοποίησης. Η διπλωματική αυτή εργασία περιλαμβάνει μια εκτενή παρουσίαση των δράσεων της ομάδας FSAE, Prom Racing, με έδρα το ΕΜΠ. Έμφαση θα δοθεί στη συμμετοχή του γράφοντος, ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον αεροδυναμικό σχεδιασμό του μονοθέσιου. Παρουσιάζεται η τρέχουσα μορφή του μονοθέσιου, τα βήματα αεροδυναμικού σχεδιασμού για να προκύψει αυτή καθώς και οι διαδικασίες βελτιστοποίησης που πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας. Συγκεκριμένα, η προσπάθεια στοχεύει στη βελτιστοποίηση του σχήματος όλων των αεροδυναμικών συσκευών, δηλαδή της μπροστά και πίσω πτέρυγας, του πατώματος και του αποκλίνοντος ακροφύσιου, αλλά και του συνόλου των καλυμμάτων που σχεδιάστηκαν, τα οποία έχουν λειτουργικό ρόλο (καλύμματα ψυγείων, κινητήρα, εμπρόσθιας προστατευτικής διάταξης). Συνολικός στόχος είναι η αύξησης της παραγόμενης κάθετης δύναμης, με παράλληλη μείωση της οπισθέλκουσας. Βασικό εργαλείο ανάπτυξης ήταν το ανοιχτό λογισμικό OpenFOAM και βασικό εργαλείο βελτιστοποίησης, το λογισμικό συνεχών συζυγών μεθόδων (continuous adjoint methods) για ασυμπίεστη τυρβώδη ροή που έχει αναπτύξει η ΜΠΥΡ& Β/ΕΘΣ του ΕΜΠ σε περιβάλλον OpenFOAM. Η συνεχής συζυγής μέθοδος υπολογίζει τις παραγώγους ευαισθησίας και επιστρέφει τον χάρτη ευαισθησίας. Δηλαδή, το «χρωματισμό» των επιφανειών του μονοθέσιου που δείχνουν την ένταση της παραγώγου της αντικειμενικής συνάρτησης (στην προκειμένη της κάθετης δύναμης, της οπισθέλκουσας και του λόγου τους, ανάλογα με την εφαρμογή) ως προς την κάθετη μετατόπιση κάθε σημείου της επιφάνειας του μονοθέσιου. Με βάση αυτήν την πληροφορία, έγιναν τροποποιήσεις στη μορφή των τμημάτων που αναφέρονται παραπάνω. Διερευνήθηκαν εναλλακτικές μορφές του σχεδιασμού και κατά πόσο αποτελούν βελτίωση του αρχικού. Δεν υλοποιήθηκε αυτόματος βρόχος βελτιστοποίησης, καθώς θα έπρεπε να ληφθούν υπόψη πολλοί περιορισμοί.