Yıl: 2006 Cilt: 5 Sayı: 6 Sayfa Aralığı: 39 - 48 Metin Dili: Türkçe İndeks Tarihi: 29-07-2022

Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi

Öz:
Bu çalışma titreşimli genetik algoritma yöntemini, dinamik ağ ve bir Euler akış çözücüsü ile birleştirerek üç boyutlu kanat modellerinin (Onera M6 kanadı) optimizasyonuna uygulamaktadır. Genetik prosesler sonucunda elde edilen üç boyutlu modeller için yeniden ağ yapısı (mesh) oluşturulmasında dinamik ağ yöntemi kullanılmıştır. Bunun için yazılan bilgisayar programıyla, sıfırdan ağ oluşturulmasına göre, yapı bozulmadan daha hızlı bir şekilde yeni ağ yapıları elde edilmiştir. Genetik Algoritmanın önemli özelliklerinden birisi bir noktadan yola çıkarak en iyiyi aramaması, aksine geniş bir topluluk içinden en iyilerini seçmesidir. Ancak Genetik Algoritmanın zayıf noktalarından biri, özellikle üç boyutlu geometriler için, işlemci zamanının çok fazla olmasıdır. Bu zamanın büyük bir bölümü de akış alanını çözen program tarafından kullanılmaktadır. Başlangıç modelinin profil şekli ve daha sonra sivrilik oranı değiştirilerek başlangıç popülasyonu elde edilmiştir. Her bir popülasyonda 14 farklı profil şekli ve sivrilik oranına sahip Onera M6 kanadı bulunmaktadır. İşlemci zamanından tasarruf sağlamak için program, önceki çözümleri başlangıç çözümü olarak kullanmaktadır. Taşıma ile sürükleme kuvvetlerinden yola çıkılarak uygunluk değerleri hesaplanmaktadır. Genetik algoritma bireyleri bu uygunluk değerlerine göre değerlendirmektedir. Uygunluk değeri yüksek olan bireyin seçilme şansı ve özelliklerinin sonraki nesillere aktarılma ihtimali yükselmektedir. Uygunluk fonksiyonu seçilirken, kanat modelleri belirli bir dizayn - taşıma kuvvetinden fazla uzaklaşmadan sürükleme kuvvetlerini minimize edecek şekilde olmasına dikkat edilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde optimizasyon işleminin beklentilere uygun şekilde sürükleme kuvvetini yaklaşık yüzde 25 oranında azalttığı gözlemlenmektedir.
Anahtar Kelime:

Combining genetic algorithm and dynamic mesh technique in the wing design

Öz:
Today, evolutionary type of algorithms is entering in many engineering fields. This technique is required to create a population; once the population is created new members are obtained by modifying the previous ones. Recent development in the computer technology and numerical algorithms let the researchers develop fast and powerful ways plugging the evolutionary type algorithms by which several parameters can be determined considering and satisfying many requirements simultaneously to find an optimum solution, i.e. a design fulfilling all requirements including in the fitness function in the design of aerodynamic shaped objects such as wing sections, airfoils, turbine blades or other lift producing surfaces. The time consuming flow solvers and gradient type optimization techniques have not been preferred recently. Instead of this, flow solvers are carried into parallel computing type machines and optimizations are carried out by evolutionary techniques. In this study, Onera M6 wing has been optimized on two parameters, the wing section and the taper ratio by combining recent preferable approach i.e. parallel computing and evolutionary techniques. The dynamic mesh technique has been applied, for the first time, to determine the mesh structures of genetically obtained new members in the genetic algorithms. The Vibrational Genetic Algorithm is applied to 3-D wing optimization problems. To overcome some problems encountered in 3-D applications, such as large calculation time, flow solution difficulties, force calculations; some techniques like parallelization, purification and finite element numeric integration are employed, developed and adapted to this research. The code developed for this aim is robust and faster than the codes, which are only producing mesh by classical techniques. The flow solver ACER3D has been used to obtain the flow parameters for each member. Because the operating time of the program is very long, parallel processing has been used. The Vibrational Genetic Algorithm (VGA) is a GA, which uses the vibration concept, in that, by applying a vibrational mutation periodically to all individuals in a population; they are spread out over the design space. Therefore, it becomes possible to escape from local optimums and thus to obtain a global optimum quickly. This vibration strategy in the mutation is used after a recombination. The unstructured tetrahedral mesh is modified according to the change in wing sections by using dynamic mesh technique and for all members of a generation; new mesh structures have been calculated. Aerodynamic force, lift and drag, calculations have been done by using a finite element method. The pressure value for each triangular wall boundary face is taken as the average of the pressures on the corner nodes. Then the total forces are calculated by using a numerical integration. In the optimization process, there are 14 members in each generation. These are 14 Onera M6 wing planforms that have different wing sections. All of them are solved by ACER3D and their lift and drag forces are calculated. The best member is kept in each generation and carried into the next generation. So the best member found in each generation cannot be worse than the best member of the previous generation. The CPU time of the first step in dynamic mesh method is approximately the same as the mesh generation time. However, at the later steps of dynamic mesh technique much less time is needed than the first step. Therefore, especially, if a lot of configurations are to be considered, the dynamic mesh method offers more advantage. From the results, it is observed that the optimization process is working as expected. The drag coefficient was reduced by about 25 percent. While this has been done, its lift coefficient is tried to be close to the design value determined at the beginning. This is done by arranging the fitness function. At the 30th generation, the difference between the lift coefficient of the best member and the design lift coefficient value is about 1 percent and the difference between thickness ratios is 3 percent. The taper ratio is getting smaller while the code is trying to minimize the drag force. But it cannot be reduced to very small values and is kept almost the same at the later steps, because the program should not only reduce the drag force but also hold the lift force close to the design value.
Anahtar Kelime:

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık
  • 1.Batina, J.T., (1990). Unsteady Euler airfoil solutions using unstructured dynamic meshes, AIAA Journal, 28, 8, 1381-1388.
  • 2.Batina, J.T., (1991). Unsteady Euler algorithm with unstructured dynamic mesh for complex-aircraft aerodynamic analysis, AIAA Journal, 29, 3, 327-333.
  • 3.Golberg, D.E., (1989). Genetic Algorithms in search, optimization & machine learning, Addison- Wesley Publishing Company, Inc. Reading.
  • 4.Hacıoğlu, A., ve Özkol, İ., (2002). Vibrational Genetic Algorithm as a new concept in aerodynamic design, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 74, 3, 228-236.
  • 5.Hacıoğlu, A., (2003). Aerodinamik dizayn ve optimizasyonda genetik algoritma kullanimi, Uçak Mühendisliği Programı Doktora Tezi, İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2003.
  • 6.Mecitoğlu, Z. , Dökmeci, M.C., (1990). Vibration analysis stiffened cylindrical thin shell Proc. 17th Congress of the International Council of Aeronautical Sciences, 986-993, Stockholm.
  • 7.Obayashi, S., Nakahashi, K., Oyama, A. ve Yoshino, N., (1998). Design optimization of supersonic wings using evolutionary algorithms, ECCOMAS 98, John Wiley & Sons, Ltd.
  • 8.Vatandaş, E., Özkol, İ. ve Kaya, M.O., (2003). Implementation of the dynamic mesh methods on genetically obtained mesh structures for 3-D geometries, Proceedings of International Congress on Evolutionary Methods for Design, Optimization and Control with Applications to Industrial Problems, EUROGEN’03, Barcelona, Spain.
  • 9.Vatandaş, E., Özkol, İ., ve Kaya, M.O., (2004). Using the dynamic mesh method for genetically obtained wing structures, Aircraft Engineering & Aerospace Technology, 76, 3, 314-319.
  • 10.Vatandaş, E., Özkol İ., ve Hacioglu, A. (2005). Combining vibrational genetic algorithm (VGA) and dynamic mesh in the optimization of 3-d wing geometries, Finite Element for Flow Problems FEF05 IACM Special Interest Conference supported by ECCOMAS, April 4-6, 2005, Swansea, Wales, UK.
  • 11.Vatandaş, E. ve Özkol, İ., (2006). Dynamic mesh and heuristic algorithms for the design of a transonic wing, Aircraft Engineering & Aerospace Technology, 78, 1, 34-44.
  • 12.Yılmaz, E., (2000) A three dimensional parallel and adaptive Euler flow solver for unstructured grids, Ph.D. Thesis, Middle East Technical University (METU), January, Ankara-Turkey.
  • 13.Van der Burg, J.W. FASTFLO I - Fully automatic CFD system for inviscid flow simulations, http://www.fastflo.nl/publication.html (25.04.2006)
APA VATANDAŞ O, Özkol İ (2006). Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. , 39 - 48.
Chicago VATANDAŞ OSMAN ERGÜVEN,Özkol İbrahim Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. (2006): 39 - 48.
MLA VATANDAŞ OSMAN ERGÜVEN,Özkol İbrahim Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. , 2006, ss.39 - 48.
AMA VATANDAŞ O,Özkol İ Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. . 2006; 39 - 48.
Vancouver VATANDAŞ O,Özkol İ Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. . 2006; 39 - 48.
IEEE VATANDAŞ O,Özkol İ "Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi." , ss.39 - 48, 2006.
ISNAD VATANDAŞ, OSMAN ERGÜVEN - Özkol, İbrahim. "Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi". (2006), 39-48.
APA VATANDAŞ O, Özkol İ (2006). Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, 5(6), 39 - 48.
Chicago VATANDAŞ OSMAN ERGÜVEN,Özkol İbrahim Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik 5, no.6 (2006): 39 - 48.
MLA VATANDAŞ OSMAN ERGÜVEN,Özkol İbrahim Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, vol.5, no.6, 2006, ss.39 - 48.
AMA VATANDAŞ O,Özkol İ Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik. 2006; 5(6): 39 - 48.
Vancouver VATANDAŞ O,Özkol İ Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi. İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik. 2006; 5(6): 39 - 48.
IEEE VATANDAŞ O,Özkol İ "Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi." İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik, 5, ss.39 - 48, 2006.
ISNAD VATANDAŞ, OSMAN ERGÜVEN - Özkol, İbrahim. "Kanat dizaynında genetik algoritma ve dinamik ağ yöntemlerinin birleştirilmesi". İTÜ Dergisi Seri D: Mühendislik 5/6 (2006), 39-48.