Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Optimisation of the fluid flow forced by natural convection

Kamil Adrian Zych

Abstract

Optimisation of the fluid flow forced by natural convection presents the process of calculations by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) using the Lattice Boltzmann Method in topological optimization of a channel, that aims to maximize fluid mass flow. Its movement is forced only by the phenomenon of natural convection, initialised by external heat flow, with gravitational effect perpendicular to the direction of the flow of the fluid. The computations were done using TCLB framework coupled with author’s source code, implementing the laws of physics, that combined together forms CFD solver for cases of both fluid dynamics and heat transfer. Thesis includes detailed description of every element of the process, including: theoretical basics of the problem, specification of implemented methods in author’s source code, its validation with analytically solved cases and methodology in solving the main case along with analysis of its results. Obtained results indicate that the solver can be characterised by high accuracy, although only in specific conditions, however it suffices completely in many cases solved with CFD, including natural convection in asymmetric channel. Optimization is done well, although it requires considerable control of the user in shaping function of interest due to the high number of degrees of freedom involved in computations. In the first chapter theoretical basics are described, including the Lattice Boltzmann Method and its usage in the solver, along with fundamentals of theory of heat transfer. Second chapter includes specification of implemented functions and generally TCLB. The third one describes the process of validation of the solver in order to verify if its functionalities used in optimization are correct and without any bugs. In the fourth chapter there is optimization process described with analysis of its results and specification of methodology involved in it. Finally, the fifth chapter summarises all results and achievements obtained during software development and done computations, along with formulated conclusions.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Kamil Adrian Zych (FPAE) Kamil Adrian Zych,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Optymalizacja przepływu wymuszonego konwekcją swobodną
Supervisor
Łukasz Łaniewski-Wołłk (FPAE/IAAM) Łukasz Łaniewski-Wołłk,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Mechanika i Projektowanie Maszyn
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
07-02-2019
Issue date (year)
2019
Pages
53
Internal identifier
MEL; PD-5015
Reviewers
Łukasz Łaniewski-Wołłk (FPAE/IAAM) Łukasz Łaniewski-Wołłk,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Jacek Szumbarski (FPAE/IAAM) Jacek Szumbarski,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
Metoda Siatkowa Boltzmanna, obliczeniowa mechanika płynów, konwekcja swobodna, optymalizacja topologiczna, modelowanie fizyczne, metody numeryczne, wymiana ciepła, TCLB
Keywords in English
Lattice Boltzmann Method, Computational Fluid Dynamics, natural convection, topological optimization, physical modelling, numerical methods, heat transfer, TCLB
Abstract in Polish
W Optymalizacji przepływu wymuszonego konwekcją swobodną przedstawiono proces przeprowadzania obliczeń obliczeniowej mechaniki płynów zgodnie z Metodą Siatkową Boltzmanna, w celu optymalizacji topologicznej kanału, której zadaniem jest maksymalizacja wydatku masowego przepływającego przez niego płynu. Jego ruch wymuszony jest jedynie przez zjawisko konwekcji swobodnej, zachodzące w wyniku przenikania przez kanał strumienia ciepła, przy działaniu grawitacji prostopadłym do kierunku przepływu płynu. Obliczenia te zostały przeprowadzone za pomocą frameworku TCLB i autorskiego kodu opisującego model fizyki, które tworzą razem silnik obliczeniowy do rozwiązywania zagadnień mechaniki płynów sprzężonych z wymianą ciepła. Szczególną wagę przyłożono do opisania wszystkich elementów procesu, a więc rozpoczynając od podstaw teoretycznych, przez szczegółowy opis budowy modelu oraz weryfikacji jego poprawności, aż do ukazania wyników, przywołując metodologię ich uzyskania. Uzyskiwane w niniejszej pracy wyniki wskazują na wysoką dokładność użytych metod w stosunkowo wąskim zakresie zastosowań, który jednak całkowicie wystarcza do obliczania wielu zagadnień obliczeniowej mechaniki płynów, w tym konwekcji swobodnej w asymetrycznym kanale. Optymalizacja przebiega prawidłowo, wymagając jednak dużej kontroli ze strony użytkownika w kształtowaniu funkcji celu przy tak wielkiej ilości stopni swobody. W rozdziale pierwszym przywołano podstawy teoretyczne zagadnienia, opisujące Dyskretne Równanie Boltzmanna i jego wykorzystanie w silniku obliczeniowym, oraz fundamentalne prawa związane z poruszanymi problemami wymiany ciepła. W drugim rozdziale znajduje się przedstawienie silnika obliczeniowego i szczegółowy opis implementacji modelu wymiany ciepła zgodnie z interfejsem TCLB. Rozdział trzeci przywołuje przeprowadzony proces walidacji modelu w celu weryfikacji jego funkcjonalności wykorzystywanych w tytułowym zagadnieniu. W rozdziale czwartym znajduje się opis całego procesu, w tym optymalizacji, w jaki sposób ją przeprowadzono, a także analiza otrzymanych wyników. Finalnie rozdział piąty podsumowuje przeprowadzone prace w zakresie rozważanego zagadnienia i zbiera uzyskane wnioski.
File
  • File: 1
    INZ_Kamil_Zych_ver5.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 31342

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUT24903002020246089b3a26864b47263c/
URN
urn:pw-repo:WUT24903002020246089b3a26864b47263c

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page