Physical shape optimisation of channels and pipes to improve fluid flow

Abstract

Ein minimaler Druckverlust in Rohrströmungen ist maßgeblich für technische Anwendungen und deren Energieeffizienz. Zur Optimierung von Strömungsgeometrien hinsichtlich des darin auftretenden Druckverlusts wurden zahlreiche computergestützte Methoden entwickelt. Darunter fällt auch ein heuristischer Ansatz in Verbindung mit numerischen Strömungssimulationen, der Erosions- und Sedimentationsprozesse nachahmt. Zwar gelang es mit dieser Methode, den Druckverlust zu verringern, jedoch ging damit eine Verbreiterung der Strömungsgeometrie einher. Um allein den Einfluss des Strömungswegs auf den Druckverlust beurteilen zu können, wird in dieser Arbeit eine neue Nebenbedingung präsentiert, die den mittleren Durchmesser der Strömungsgeometrie während der Optimierung konstant hält. Die Anwendbarkeit dieses neuen Algorithmus wurde am Beispiel von 2D Kanal- und 3D Rohrgeometriengetestet. Zu diesem Zweck wurden numerische Simulationen unter Verwendung der Lattice Boltzmann Methode mit Reynolds-Zahlen zwischen 40 und 500 durchgeführt. In den meisten Fällen konnten Geometrien mit verringertem Druckverlust gefunden und gleichzeitig der initialeRohrdurchmesser konstant gehalten werden.

Minimising pressure drop in pipes of fluid flow applications plays a critical role in the strive towards energy efficiency. Numerous computational optimisation tools that are capable of modifying flow geometries to reduce the pressure drop have been developed. Among these, a heuristic optimisation algorithm which mimics erosion and sedimentation processes has been proposed. Although this method succeeded in modifying flow geometries for reduced pressure drop, this allowed the fluid domain to widen during the reshaping process. This implied that a reported reduction of pressure drop was not only caused by an improvement of the flow path, but also by an increase in the domain width. Here, the heuristic optimisation approach was combined with a new geometrical constraint that kept the average diameter constant. This way,a reduction of pressure drop caused solely by the modification of the flow path can be assessed. An objective of this research was to determine the applicability of the new algorithm for 2D channel and 3D pipe geometries. For this purpose, numerical simulations using the Lattice Boltzmann method were conducted with Reynolds numbers ranging from 40 to 500. In most cases, the method succeeded in finding an improved shape while keeping the average diameter at its initial value.