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https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4160
Tipo: | Tese |
Título: | Metodologia de otimização multifidelidade baseada em kriging hierárquico aprimorado com aplicação ao projeto preliminar de turbinas hidrocinéticas |
Autor(es): | CARDOSO NETTO, David |
Primeiro Orientador: | MANZANARES FILHO, Nelson |
Resumo: | Existe um grande potencial hidrocinético em diferentes cursos de água corrente, como rios, canais e fluxos de usinas. O projeto de uma turbina pode envolver tanto o dimensionamento da turbina a partir de parâmetros previamente estabelecidos por meio de conhecimento empírico, como também a determinação desses parâmetros por meio de técnicas de otimização. Dentre os processos de otimização, o presente trabalho faz uso da otimização bayesiana, mais especificamente, da otimização global eficiente. Assim, este trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de uma metodologia de otimização global mais eficiente, baseada em metamodelagem multifidelidade, e com aplicação no projeto de turbinas. Um novo método de metamodelagem multifidelidade baseado em Kriging Hierárquico aprimorado por Funções de Base Radial é desenvolvido. É proposto o aprimoramento do metamodelo construído com base nos pontos de alta fidelidade e a correção do metamodelo construído com base nos pontos de baixa fidelidade. O método proposto é aplicado em funções de teste analíticas e no projeto preliminar de uma turbina hidrocinética carenada com o objetivo de maximizar a potência hidráulica pela otimização dos parâmetros geométricos da turbina. Os parâmetros geométricos da ogiva e da nacele, e o ângulo de ataque do difusor são definidos como variáveis de projeto. A turbina é modelada em CFD com dois níveis de refinamento malhas, fina e grosseira, adotadas como as fontes de alta e baixa fidelidades, respectivamente. O rotor é aproximado por um disco atuador com uma queda de pressão fixa. O processo de otimização é feito comparando o método proposto com dois métodos da literatura. Os resultados da aplicação em funções de teste analíticas mostram que o método proposto teve melhor desempenho para o caso de teste de maior número de variáveis e com a mais alta multimodalidade. Para o caso real de engenharia, o método desenvolvido resulta em uma evolução média da potência hidráulica maior que a dos outros dois métodos para o primeiro quarto do orçamento computacional total, além de apresentar menor desvio padrão durante a maior parte do tempo de otimização. A geometria de turbina otimizada resulta no aumento do canal a jusante do rotor e no aumento do diâmetro da ogiva, culminando em um aumento de 21% no coeficiente de potência. |
Abstract: | There is significant hydrokinetic potential in various flowing water courses, such as rivers, canals, and plant outflows. Turbine design can involve either designing based on empirically established parameters or determining these parameters through optimization techniques. This study focuses on Bayesian optimization, specifically efficient global optimization. The main objective is to develop a more efficient global optimization methodology based on multifidelity surrogate modeling, applied to turbine design. A new multifidelity surrogate modeling method based on Hierarchical Kriging improved by Radial Basis Functions is developed. The proposed method involves improving the surrogate model based on high-fidelity data and correcting the surrogate model based on low-fidelity data. The method is applied to analytical test functions and to the preliminary design of a shrouded hydrokinetic turbine, aiming to maximize hydraulic power by optimizing the turbine's geometric parameters. The geometric parameters of the nose cone, nacelle, and diffuser angle of attack are defined as design variables. The turbine is modeled in CFD with two mesh refinement levels, fine and coarse, used as sources of high and low fidelity, respectively. The rotor is approximated by an actuator disk with a fixed pressure drop. The optimization process compares the proposed method with two methods from the literature. The results from the analytical test functions show that the proposed method performed better for the test case with the highest number of variables and the most multimodality. For the real engineering case, the developed method resulted in an average hydraulic power improvement greater than the other two methods for the first quarter of the total computational budget and showed lower standard deviation during most of the optimization time. The optimized turbine geometry resulted in an increase in the downstream channel of the rotor and an increase in the nose cone diameter, culminating in a 21% increase in the power coefficient. |
Palavras-chave: | Otimização Bayesiana Metamodelagem multifidelidade Kriging hierárquico aprimorado por funções de base radial Turbinas hidrocinéticas Dinâmica dos fluidos computacional |
CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Editor: | Universidade Federal de Itajubá |
Sigla da Instituição: | UNIFEI |
metadata.dc.publisher.department: | IEM - Instituto de Engenharia Mecânica |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Engenharia Mecânica |
Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
URI: | https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4160 |
Data do documento: | 29-Ago-2024 |
Aparece nas coleções: | Teses |
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