Optimisation de forme avec la méthode adjointe appliquée aux équations de Lattice-Boltzmann en aérodynamique externe

par Isabelle Cheylan

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Pierre Sagaut.

Thèses en préparation à Aix-Marseille , dans le cadre de Sciences pour l'ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (353) .


  • Résumé

    Cette thèse a pour objectif le développement d’un solveur adjoint dans ProLB, le logiciel d’aérodynamique basé sur la méthode de Lattice-Boltzmann utilisé chez Renault. Ce solveur adjoint permet de calculer les sensibilités surfaciques des efforts aérodynamiques sur un obstacle, typiquement un véhicule, par rapport à la forme de celui-ci. L’objectif final est de le déformer, par des techniques de morphing basées sur une méthode de descente du gradient à pas constant, afin de réduire sa traînée aérodynamique. Dans un premier temps, l’étude de cas 2D laminaires permet de détailler le développement du solveur adjoint étape par étape. Le choix de la formulation de la force de traînée est un point important. Une étude a montré qu’il est plus judicieux de calculer cette force dans le sillage de l’objet plutôt que sur l’objet lui-même. L’objectif étant de minimiser la force de traînée moyenne, il a été montré que le meilleur compromis entre l’effort de calcul et la précision des gradients est obtenu en moyennant en temps le champ direct instationnaire. Dans un second temps, l’étude de cas 3D turbulents à grandes échelles a permis de montrer que les algorithmes fonctionnant sur des cas 2D laminaires ne sont pas suffisamment stables pour être utilisés dans ce contexte beaucoup plus complexe. Des modifications ont donc été apportées au solveur adjoint afin de pouvoir l’utiliser dans un contexte industriel. Il permet d’obtenir une cartographie des sensibilités sur tout le véhicule dans un écoulement à Reynolds élevé. Une boucle d’optimisation complète a été réalisée, avec une étape de lissage des sensibilités, et a permis de réduire la force de traînée de 5%.

  • Titre traduit

    Shape optimization using the adjoint Lattice-Boltzmann method for aerodynamic applications


  • Résumé

    This work aims at developing an adjoint solver in ProLB, the aerodynamic software based on the Lattice-Boltzmann method used by Renault. The adjoint solver makes it possible to calculate the surface sensitivities of the aerodynamic forces acting on an obstacle, such as a vehicle, with respect to its shape. The final purpose is to deform it, using morphing techniques based on a fixed step gradient descent method, in order to reduce its drag. First, the step by step development process of the adjoint solver is shown through 2D laminar test cases. The choice of the drag force expression is important because it has an impact on the complexity of the adjoint equations and on the gradient calculation. It is shown that calculating the drag force in the wake of the obstacle is more adequate than calculating it on the obstacle directly. The aim being to minimize the time-averaged drag force, it is demonstrated that the best trade-off between the gradients accuracy and the computation cost is obtained by time-averaging the unsteady direct field. Then, the study of 3D large-scale turbulent cases shows that the algorithms used for the 2D laminar cases are not stable enough to be used in this more complicated context. Changes have therefore been brought to the adjoint solver, in order to use it in an industrial context. Every assumption used for the development of the adjoint solver is justified and referenced. The adjoint solver is finally applied to an industrial test case. It gives a sensitivity map on a vehicle in a high Reynolds number flow. A complete optimization loop is performed, using a smoothing step on the sensitivities, and gives a 5% reduction of the drag force.