Automatic Design of Turbomachinery Blading Using GPU Accelerated Adjoint Compressible Flow

215 Pages·2017·4.47 MB·English

Universidad Politécnica de Madrid
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos
Automatic Design of Turbomachinery
Blading Using GPU Accelerated
Adjoint Compressible Flow Analysis
Tesis Doctoral
Ricardo Puente Rico
Ingeniero Aeronáutico
Madrid, 2017

Departamento de Motopropulsión y Termofluidodinámica
Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos
Automatic Design of Turbomachinery
Blading Using GPU Accelerated
Adjoint Compressible Flow Analysis
Autor Director
Ricardo Puente Rico Roque Corral García
Ingeniero Aeronáutico Doctor Ingeniero Aeronáutico
Madrid, Septiembre 2017

Tribunal nombrado por el Sr. Rector Magfco. de la Universidad Politécnica de Madrid,
el día ...... de .......................... de 2017.
Presidente: D. Benigno Lázaro
Vocal: D. Shahrokh Shahpar
Vocal: D. Tom Verstraete
Vocal: Dª. Ana Carpio
Secretario: D. Jose Manuel Vega
Suplente: D. Jorge Ponsín
Suplente: Dª. Raquel Gómez
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día ......... de ........................... de
2017 en la E.T.S.I Aeronáuticos.
Calificación .......................................
El presidente Los vocales
El secretario

Abstract
This work presents the development of an Automatic Design Optimization tool, with
the declared objective that it be actually practical in the context of aerodynamic
design of turbomachinery components. For that, the requirements are: that it solves a
realistic design problem fulfilling stringent quality criteria, that the results can be readily
integrated in daily workflow, that the turnaround times are faster than conventional
humandrivendesigns, andthatisrobustenoughthatisdoesnotneedhumanintervention
once the procedure is initiated.
The starting point has been the existence of a set of validated design tools used routinely
in the usual human driven process, comprising geometry generation, flow analysis, and
solution postprocessing tools, developed at the Tecnology & Methods department at
Industria de TurboPropulsores S.A. Initial conceptual studies and development of an
adjoint flow solver (integral part of a sensitivity calculation methodology) were performed
by Fernando Gisbert in his doctoral thesis [1].
During the course of this thesis, these design tools have been interfaced in a seamless
manner to build a fully automatic chain for airfoil geometry definition and evaluation
in terms of thermodynamic efficiency and manufacturability. The result is that the
output of this chain can be used by an external optimization algorithm to propose a
high performance geometry, without more human input than that of the specification
of the design problem. Regarding this issue, routine industrial design often involves an
number of informal or implicit criteria. An effort has been done to bring these to light so
that they can be translated to algorithmic language.
Critical stages of the geometry generation and analysis have been accelerated by the use
of general purpose GPU computing, achieving very low turnaround times. For that, the
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relevant computer science knowledge has been developed and is presented.
Results of different design exercises carried out at different stages of development
are provided, illustrating the improvements in speed and capabilities of the growing
environment. At its current state, turbomachinery components with a quality comparable
to that of a human design with strict requirements can be generated in a fraction of the
time.
Resumen
Este trabajo presenta el desarrollo de una herramienta de Diseńo y Optimización
Automático con el objetivo declarado de que sea realmente práctica en el contexto del
diseńo aerodinámico de componentes de turbomaquinaria. Para ello, los requerimientos
son: que resuelva un problema realista, cumpliendo estrictos criterios de calidad, que
el resultado se pueda integrar inmediatamente en el flujo de trabajo estándar, que los
tiempos por iteración de diseńo sean menores que los del diseńo convencional dirigido
por personas, y que sea lo suficientemente robusto como para que no haya necesidad de
intervención humana una vez se lanza el proceso.
El punto de partida es un conjunto de herramientas de diseńo validadas y usadas
rutinariamente en el proceso dirigido por personas, que comprenden herramientas de
generación de geometría, análisis fluido y postproceso de las soluciones, desarrolladas en el
departamento de Tecnología y Métodos de Industria de TurboPropulsores S.A. Estudios
conceptuales y el desarrollo de un resolvedor de las ecuaciones de Navier-Stokes adjuntas
(parte integral de un método de cálculo de sensitividades) fueron llevados a cabo por
Fernando Gisbert en su tesis doctoral [1].
A lo largo del curso de esta tesis, dichas herramientas de diseńo se han comunicado de una
forma fluida para construir una cadena totalmente automática de definición de geometrías
de álabes de turbomaquinaria, y su evaluación en términos de eficiencia termodinámica
y manufacturabilidad. El resultado es que la salida de esta cadena puede ser empleado
por un algoritmo externo de optimización para proponer geometrías de altas prestaciones,
sin más intervención humana que la especificación del problema de diseńo. Atendiendo a
este aspecto, el diseńo rutinario frecuentemente requiere de ciertos criterios que no están
expresados formalmente, o son implícitos. Se ha realizado un esfuerzo para sacarlos a la
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luz de modo que puedan ser traducidos a un lenguaje algorítmico.
Etapas cruciales de la generación de geometría y del análisis han sido aceleradas mediante
el uso genérico de las capacidades de computación de la GPUs, consiguiendo unos
tiempos por iteración muy bajos. Para ello, el necesario conocimiento de la ciencia de
la computación ha sido desarrollado y se expone aquí.
Los resultados de diferentes ejercicios de diseńo efectuados en distintas etapas del
desarrollo del sistema se presentan, ilustrando las mejoras en velocidad y capacidad del
entorno de diseńo automático. Es su estado actual, álabes de turbomaquinaria con una
calidad comparable a la de un diseńo humano se pueden generar en una fracción del
tiempo.