There have been many attempts to apply computational design methods to engineering problems in industry. However, solving an engeering design problem requires very high computational costs, even when applying computational analysis with state-of-the-art parallel computing. The main objective of the current study is to develop an efficient design methodology to reduce the required costs for both finding an optimal design solution and the computational flow analysis for the function evaluation. In this thesis, efficient design method and flow analysis are considered. Efficient global optimization starts with a small number of initial samples to construct a response surface, and additional number of samples are required during a design process. Variable-fidelity (VF) flow analysis uses both high-fidelity (HF) and low-fidelity (LF) flow analyses to evaluate aerodynamic function values according to design variables. To improve their efficiencies, three methodologies are introduced in the current study. First, dynamic fidelity indicators (DFIs) are developed to estimate necessary fidelity of the flow analysis for the additional sample points, and a corresponding selective VF design method is developed. Second, a tightly coupled Euler/panel method is used for HF flow analysis. It reduces the computational cost by decreasing domain size of computational fluid dynamics by using panel method. Third, a nonlinear vortex lattice method (NVLM) is developed for LF flow analysis. The NVLM with table look-up can simulate nonlinear aerodynamic characteristics, such as transonic and viscous flows, which classical VLM cannot simulate. To accurately calcualte the effective angle of attack for table look-up, an equivalent lattice approach is developed. Finally, a VF aerodynamic design composed of the selective VF design method, tightly coupled Euler/panel method, and the NVLM is developed. It is applied to the design problem of reducing the drag force of a wing in transonic flow. As a result, the design optimization four times faster than the conventional design method using only single-fidelity flow analysis can be achieved. Design efficiency can be further improved by using an LF-based response surface and by fine-tuning threshold parameters in the DFIs.
최근 산업에서는 전산 최적 설계를 공학 문제에 적용하려는 많은 시도가 있어왔으나, 고비용의 전산 해석 및 반복 해석공간 탐색을 통한 최적점 도출에는 최신의 병렬 컴퓨팅 환경으로도 여전히 많은 설계 비용이 요구되고 있다. 본 연구는, 전산유체역학과 전역 설계공간 탐색에 요구되는 시간 저감 및 정확성 향상을 통한 효율적인 공력 설계 기법을 개발하는 데에 주목적을 둔다. 이를 위해, 설계 목적함수를 예측을 위한 반응면을 구성할 때 필요한 실험점을 작은 갯수에서 시작하여 점진적으로 추가해 나가는 효율 전역 최적화 기법과, 설계 변수에 대한 공력 해석을 위해 고신뢰도와 저신뢰도 유동 해석을 함께 사용하는 다신뢰도 해석 기법을 결합하는 설계 방법론을 고려하였다. 이러한 방법론의 설계 효율성 향상을 위해 세 가지 방법론을 제시하였다. 첫 번째로, 설계 과정 중 추가되는 실험점 해석에 필요한 해석자 신뢰도를 확률적으로 추정하는 동적 해석 신뢰도 지시자를 개발하였으며, 이를 활용하는 선택적 다신뢰도 설계기법을 제시하였다. 두 번째로, 높은 정확성을 보장하는 고신뢰도 해석자의 해석비용 단축을 위해, 오일러 해석에 필요한 해석영역 크기를 패널법을 이용하여 줄이는 밀접 오일러/패널 연계 해석자를 활용하였다. 세 번째로, 값싼 해석비용을 가지는 저신뢰도 해석자의 정확성을 향상시키기 위해, 표검색법을 이용한 비선형 와류격자법을 개발하였으며, 표검색에 필요한 유효 받음각을 정확히 계산하기 위해 등가격자법을 제시하였다. 최종적으로, 이러한 세 방법론을 통합하여 다신뢰도 기반 공력 최적설계 프레임워크를 개발 하였으며, 천음속 유동에서 비행하는 날개의 항력 감소 문제에서 기존 단신뢰도 설계 방법에 비해 4배 이상의 설계 효율성 향상을 도출하였다. 나아가, 저신뢰도 해석 중심 반응면 구축 및 동적 해석 신뢰도 지시자의 파라미터들을 적절히 조절함으로써, 보다 설계 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
