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Main Title: CFD-basierte evolutions­strategische Black-Box-Optimierung zur Abschätzung des Potentials des Bionikpropellers im realen Einsatz am Schiff
Translated Title: CFD based black box optimization with an evolutionary strategy to estimate the potential of the bionic propeller under real life conditions
Author(s): Schmid, Michael
Advisor(s): Rechenberg, Ingo
Referee(s): Rechenberg, Ingo
Neubauer, Peter
Boblan, Ivo
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Die Evolution hat in der Natur viele Lösungen unter dem besonderen Gesichtspunkt der Energieeffizienz hervorgebracht. Dabei sind insbesondere bei Vögeln interessante Lösungen entstanden, die sich im Sinne der Bionik als effizienzsteigernde Maßnamen verstehen und technisch umsetzen lassen. Der bei der Auftriebserzeugung am Vogel- bzw. Tragflügel entstehende Spitzenwirbel ist unvermeidlich, der Energieverlust lässt sich aber durch ein Aufteilen auf kleinere Wirbel mindern. Der Vogelflügel besitzt dazu aufgefächerte Handschwingen, am Tragflügel haben sich hingegen sog. Winglets bewährt. Der Bionikpropeller stellt einen Versuch dar, dieses Prinzip auf elegante Weise auch auf Propellerflügel anzuwenden. Die deutlich komplexere Form dieses Propellers macht es bestehenden Entwurfsverfahren nahezu unmöglich, eine vorteilhafte Auslegung zu bestimmen. Ein umgekehrter Weg kann jedoch über die Bewertung von Varianten führen, welche eine Optimierungsstrategie vorgibt. Für derart komplexe Aufgabenstellungen eignet sich die Evolutionsstrategie, da sie das Problem als Black-Box betrachten kann. In der Umsetzung dieser Idee ist eine Umgebung für die Optimierung entwickelt worden, welche auf einer CFD-Bewertung basiert. Sie wurde zunächst am konventionellen Propeller erfolgreich getestet. Die auf den Bionikpropeller erweiterte Umgebung arbeitete wegen der komplexeren Geometrie langsamer, insbesondere die CFD-Bewertung wurde aufwändiger. Zusätzlich zur RANSE-CFD-Bewertung wurde daher ein Wirbelgitterverfahren verwendet, welches zwar ungenauer, aber auch deutlich schneller arbeitet. Mit beiden Bewertungsverfahren und in ständigem Abgleich der Varianten mit dem Projektpartner SVA-Potsdam wurden zahlreiche Vorschläge mit über RANSE-CFD-Methoden errechneten und teilweise am Modell gemessenen Freifahrtkurven bewertet. Die beste Variante wurde vom Projektpartner MMG in Großausführung gefertigt und im produktiven Einsatz am Schiff getestet. Der Bionikpropeller zeigte bei hohen Schubbelastungsgraden - wie erwartet - auch hier einen Vorteil. Er verursachte auch nach 8 Wochen im Einsatz keine Kavitationsprobleme und erzeugte einen deutlich geringeren Geräuschpegel. Letztlich limitierten nur die empfindlichen Bögen den fortgesetzten realen Einsatz.
The evolution in nature has developed a huge amount of solutions, very often favouring those with better energy efficiency. Flying birds especially show interesting solutions to minimize the induced drag loss of their wings. Analyzing the principles behind means following the bionics approach of understanding and transferring them into a technical application. The loss due to the tip vortex, being inevitable, can thus be reduced by splitting the vortex. Therefore bird wings utilize splitted primary feathers. A technical adoption of this principle is the winglet. The bionic propeller represents an attempt to gracefully apply this principle to propeller blades. Common design procedures are almost overburdened with the complex topology and inner dependencies of the bionic propeller, even to depict an optimum design configuration. Nevertheless an inverse approach is possible by using a cyclic optimization process, where beside the proper optimization strategy only an evaluation of the probe quality is necessary to provide. Here the evolutionary strategy comes into play, proven to be superior appropriate for complex optimization targets, even if these can be treated as black boxes. In realization of this approach an optimization environment has been developed, based on CFD evaluation of the probe quality. Verified to sufficiently perform with the conventional propeller topology, the environment was extended to deal with the more complex one of the bionic propeller. It turns out that the optimization process slowed down, the CFD computation became even more complicated. To keep track on the goal an additional quality evaluation function was established based on the vortex lattice method. This procedure is in fact less accurate, but on the other hand it computes considerably faster than RANSE-CFD. With both evaluation functions and with permanent alignment of the variants with the project partner SVA-Potsdam, numerous promising configurations have been made up, many of them evaluated for their open water characteristics both by RANSE-CFD methods and by real measurement. The most promising variant have been selected and prepared for full-scale manufacturing, which was finally performed by project partner MMG Waren. The real life test under productive operation conditions revealed - as expected - an advantage of the bionic propeller at high thrust loading coefficients. No critical cavitation erosion have been observed for 8 weeks of operation. The propeller has yielded a considerably lower noise level. Finally the mission operation was limited after all only by the mechanical sensitivity of the loops.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9234
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8314
Exam Date: 19-Feb-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 23-Apr-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Optimierung
Evolutionsstrategie
Bionik
Geometrieerzeugung
Propeller
optimization
evolutionary strategy
bionics
geometry parametrization
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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