Automatic design of turbomachinery blading using gpu accelerated adjoint compressible flow analysis

Resumen

Este trabajo presenta el desarrollo de una herramienta de Diseno y Optimización Automático con el objetivo declarado de que sea realmente práctica en el contexto del diseno 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 diseno sean menores que los del diseno 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 diseno 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. A lo largo del curso de esta tesis, dichas herramientas de diseno 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 diseno. Atendiendo a este aspecto, el diseno rutinario frecuentemente requiere de ciertos criterios que no están expresados formalmente, o son implícitos. Se ha realizado un esfuerzo para sacarlos a la 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 diseno efectuados en distintas etapas del desarrollo del sistema se presentan, ilustrando las mejoras en velocidad y capacidad del entorno de diseno automático. Es su estado actual, álabes de turbomaquinaria con una calidad comparable a la de un diseno humano se pueden generar en una fracción del tiempo. 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 human driven designs, and that is robust enough that is does not need human intervention 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 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.