Automatisches Design von Strömungssystemen

Flugzeugflügel, Windräder oder Pumpen haben eines gemeinsam: Es handelt sich um Strömungssysteme. Deren Auslegung wird in vielen Fällen gemäss „Versuch und Irrtum“ bestimmt. Dies führt zu nicht optimalen Produkten und langen und teuren Entwicklungsprozessen. Entsprechend gross ist das Bedürfnis nach einem praxisnahen Werkzeug, welches mittels künstlicher Intelligenz optimale Geometrien für Strömungssysteme identifiziert. In diesem Projekt werden die Methoden der mathematischen Optimierung („Künstliche Intelligenz“) verwendet um optimale Strömungsgeometrien mit Hilfe eines SQP-Verfahrens zu identifizieren. Wir berechnen ein optimales 2D-Profil für den Flügel einer Windkraftanlage, der einen maximalen Auftrieb bei minimalem Widerstand garantiert. So kann der Wirkungsgrad der Anlage um über 10% verbessert werden. Das Know-How integrieren wir in ein praxisnahes Werkzeug, die „NTB CFD Automatic Design Toolbox“. Diese ist modular aufgebaut und flexibel erweiterbar. Dadurch kann dieses Werkzeug einfach und schnell in der Produktentwicklung eingesetzt werden.

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Wie können wir in der Praxis optimale Produkte entwickeln? Zahlreiche Verfahren, wie Genetische Algorithmen, Response-Surface-Methoden, Quasi-Newton- und Nelder-Mead-Verfahren sowie spezialisierte heuristische Verfahren (Topologie-Optimierung) wurden angewendet um optimale Produkte rechner-gestützt zu identifizieren. Trotz einiger beeindruckender Erfolge in Spezialfällen, zeigen sie in der Praxis gravierende Schwächen: Die Komplexität der ingenieur-technischen Fragestellung kann nicht ausreichend abgebildet werden und es entstehen Produkte, die z.B. nicht fertigbar sind, zu teuer sind oder in einer anderen Weise den Anforderungen an ein optimales Produkt nicht entsprechen.

Nach der Euphorie und der Ernüchterung befinden wir uns momentan in der Phase der Neu-Orientierung. In der Folge gibt es zahlreiche neue, verbesserte und erfolgreiche Ansätze in der Elektrotechnik, der Mechanik und der Strömungsmechanik. Diese erlauben es viele hundert Entwicklungs-Ziele gleichzeitig zu optimieren. So entstehen praxisnahe optimale Produkte, die allen Fertigungsrestriktionen und allen weiteren Anforderungen bzgl. Kosten, Transport & Logistik in vollem Umfang genügen. So ist heute der richtige Zeitpunkt um in diese neuen Technologien zu investieren, evtl. bereits getätigte Investitionen zu korrigieren um in der Zukunft in vollem Umfang von diesen Innovationen zu profitieren.

In diesem Projekt entwickelten wir ein anwenderfreundliches Werkzeug zum Automatischen Design von Strömungssystemen: Die „NTB CFD Automatic Design Toolbox“. Die NTB CFD Automatic Design Toolbox bildet das Optimal-Shape-Design Problem auf ein restringiertes Optimierungs-Problem ab. Dabei können viele hundert Design-Ziele und Restriktionen gleichzeitig und parameterfrei beachtet werden. Die NTB CFD Automatic Design Toolbox erlaubt die schnelle und sichere Optimierung von Strömungssystemen und ist mit einer anwenderfreundlichen, intuitiven Schnittstelle ausgestattet. Die Toolbox wird in der Praxis eingesetzt um optimale Formgebungen von Windkraft-Flügeln zu berechnen. Dabei werden viele hundert Entwicklungsziele gleichzeitig beachtet. Die „NTB CFD Automatic Design Toolbox“ kommuniziert mit gängigen CFD-Solvern (openFOAM u.a.). Sie kann in einfacher Weise konfiguriert werden um zahlreiche optimale Strömungs-Produkte (Generatoren, Pumpen, Automobil u.a.) zu berechnen.