' $
DESIGN OPTIMIZATION OF HIGH-LIFT CONFIGURATIONSUSING A VISCOUS ADJOINT-BASED METHOD
Sangho Kim
Stanford University
Juan J. Alonso
Stanford University
Antony Jameson
Stanford University
40th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit
Reno, NV
January, 2002
& %
' $
Outline
• Introduction
• Objectives
• Description of Continuous Adjoint Method
• Viscous Aerodynamic Sensitivity Accuracy Study
• High-Lift System Design
• Conclusions and Future Work
& %
' $
High–Lift System Configuration
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������
��������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������
��������������������������������������������������
��������������������������������������������������
� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �
���������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
������������������������������������������������������������
Secondary Flow
Viscous Shear Layer
Wake Line
Boundary Layer
SlatFlap
Main Airfoil
Angle of Attack
Lift Coefficient
Slats Extended
Slats Retracted
Flap angle 0 deg
Lift Coefficient
Angle of Attack
Increase Flap Angle
Flap angle 40 deg
& %
' $
Introduction
• High-Lift System Configuration Design
– Wind tunnel testing
– CFD as an Analysis Tool
– Difficulties in Decision Making
• CFD as a Design Tool
– Automatic Design Procedure : CFD + Gradient Based Optimization
– Gradient Based Optimization
∗ Cost function to be Min/Maximized (Drag, L/D).
∗ Control function to be Optimized (Airfoil Shape).
∗ Design Variables (Mesh points, Sine Bump function)
∗ Constraint (Euler eq. NS eq)
∗ Gradients (Finite Difference, Complex, Adjoint)
∗ Optimization Algorithm (Steepest Descent)
– Control Theory Approach or Adjoint Method by Jameson 1988.
• Continuous Adjoint Design Method using the Navier-Stokes equations as a flow
model and the Gradient Accuracy study.
• Application to High-Lift System Design.
& %
' $
Objectives
1. Viscous Aerodynamic Sensitivity Accuracy Study
• 2D Implementation of a Continuous Adjoint Design Method that uses the
Navier-Stokes equations as a flow model.
•Verification of the Accuracy and Efficiency of the present Continuous Adjoint
Method by comparison with Gradients from Finite Difference Method.
•Demonstration with Preliminary Examples.
2. High-Lift System Design
•Develop numerical optimization tools for design and development of high-lift system
configurations.
• Improve take-off and landing performance of high-lift systems using a Continuous
Adjoint Design Method.
– Cl, Cd, L/D and Clmax.
& %
' $
Symbolic Description of Continuous Adjoint Method
Let I be the cost (or objective) function
I = I(w,F)
where
w = flow field variables
F = design variables
The first variation of the cost function is
δI =∂I
∂w
T
δw +∂I
∂FT
δFThe flow field equation and its first variation are
R(w,F) = 0
δR = 0 =
∂R
∂w
δw +
∂R
∂F δF
& %
' $
Introducing a Lagrange Multiplier, ψ, and using the flow field equation as a
constraint
δI =∂I
∂w
T
δw +∂I
∂FT
δF − ψT
∂R
∂w
δw +
∂R
∂F δF
=
∂I
∂w
T
− ψT∂R
∂w
δw +
∂I
∂FT
− ψT∂R
∂F
δF
By choosing ψ such that it satisfies the adjoint equation∂R
∂w
T
ψ =∂I
∂w,
we have
δI =
∂I
∂FT
− ψT∂R
∂F
δF
= GTδFThis reduces the gradient(G) calculation for an arbitrarily large number of design
variables at a single design point to
One Flow Solution
+ One Adjoint Solution
& %
' $
Navier–Stokes Inverse : Adjoint Gradient
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5Comparison of Finite Difference and Adjoint Gradiensts on 512x64 Mesh
control parameter
grad
ient
Adjoint Finite Difference
1a: Finite Difference vs. Adjoint Gradient
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50−1.5
−1
−0.5
0
0.5
1
1.5Continuous Adjoint Gradient for Different Flow Solver Convergence
control parameter
grad
ient
7(4) orders 6(3) orders 5(2) orders 4(1) orders 3(0) orders
1b: Continuous Adjoint on Flow
Convergence Levels
& %
' $
Flowchart of the Design Process
Define Design Variables
Parameterize Configuration
Define Cost Function
Solve Flow Equation
Solve Adjoint Equations
Perturb Shape & Modify Grid
Evaluate Gradient
Adjoint
Perturb Shape & Modify Grid
Solve Flow Equations
Evaluate Gradient
Finite Difference
Optimization
New Shape
Optimum? No
Stop
Yes
Loop over Gradients
1 Loop
Loop over Gradients
0 �
20
40
60 �
80 �
100
120
Adjoint vs. Finite Difference
in Cost, N=100
Adjoint
Finite Difference
& %
' $
Navier–Stokes Inverse : RAE2822 → NACA64A410
RAE2822 TO NACA64A410 MACH 0.750 ALPHA 0.000
CL 0.3196 CD 0.0029 CM -0.0952
GRID 513X65 NCYC 10 RES0.220E+00
0.1E
+01
0.8E
+00
0.4E
+00
-.2E
-15
-.4E
+00
-.8E
+00
-.1E
+01
-.2E
+01
-.2E
+01
Cp
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++
++++++++
++++++
+++++
++++
+++++
+++++++++++
++++++
++
++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++
+
+
+
+
+
+
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++
++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++
++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
2a: Initial, Perror = 0.0504RAE2822 TO NACA64A410 MACH 0.750 ALPHA 0.000
CL 0.5650 CD 0.0111 CM -0.1445
GRID 513X65 NCYC 10 RES0.129E+00
0.1E
+01
0.8E
+00
0.4E
+00
-.2E
-15
-.4E
+00
-.8E
+00
-.1E
+01
-.2E
+01
-.2E
+01
Cp
++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++
++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++
++++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++
++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+
+
+
+
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
2b: 100 Design Iterations, Perror = 0.0029
& %
' $
Navier–Stokes Cd Min. : RAE2822 at Fixed Cl = .84
RAE DRAG MACH 0.730 ALPHA 2.739
CL 0.8411 CD 0.0169 CM -0.0975
GRID 513X65 NCYC 400 RES0.624E-03
0.1E
+01
0.8E
+00
0.4E
+00
-.2E
-15
-.4E
+00
-.8E
+00
-.1E
+01
-.2E
+01
-.2E
+01
Cp
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++
++++++++
++++++
++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++
+++++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+
+
+
+
++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
3a: Initial, CDt=0.0169
M = 0.73, α = 2.739, Cl = 0.8411
RAE DRAG MACH 0.730 ALPHA 2.949
CL 0.8406 CD 0.0097 CM -0.0824
GRID 513X65 NCYC 100 RES0.346E-02
0.1E
+01
0.8E
+00
0.4E
+00
-.2E
-15
-.4E
+00
-.8E
+00
-.1E
+01
-.2E
+01
-.2E
+01
Cp
+++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++
++++++++
+++++++
++++++
++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
3b: 40 Design Iterations, Cd=0.0097
M = 0.73, α = 2.949, Cl = 0.8406
& %
' $
Advantages of Viscous Adjoint Method Over Finite Differencing
• Computational Cost was Drastically Reduced.
• Required Level of Flow Solver Convergence is Lower than for Finite Differencing.
• Step Insensitive. (In Adjoint Method, Step is only used for Geometry Perturbation.)
• Required Level of Convergence of Adjoint is Minimal.
=⇒ More Efficient, More Robust Method for Sensitivity Analysis in Viscous Flows.
& %
' $
High-Lift System Design : SYN103MB
• Design Variables
– Sine Bumps : Shape design for each element.
RAE AIRFOIL TO KORN MACH 0.730 ALPHA 2.790
CL 0.6465 CD 0.0415 CM -0.0884
GRID 513X65 NCYC 8 RES0.547E+01
0.1E
+01
0.8E
+00
0.4E
+00
-.2E
-15
-.4E
+00
-.8E
+00
-.1E
+01
-.2E
+01
-.2E
+01
Cp
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++
+++++++++
+++++++++
+++++++
++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo
ooooooooooooo
oooooooooo
oooooooo
ooooooooo
oooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo
ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo
ooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooooo
– Rigging Variables : Gaps, Overlaps and Deflections
– Angle of Attack (α) : Clmax maximization
& %
' $
• Grid Topology : Multi-block structured, Overall C- and O- mesh topologies.
Figure 4: Viscous Mesh for 30P30N Multielement Airfoil
• Mesh Perturbation
New grids are generated by shifting the grid points along the radial coordinate lines
depending on the shape boundary modification.
& %
' $
FLO103-MB PV3 CLIENT Z COORDINATE @ 1.5000 MACH NUMBER from 0.0000 to 0.3825
& %
' $
High-Lift System Design : SYN103MB (cont.)
• FLO103-MB Methodology
– Runge-Kutta Explicit Time Stepping
– Cell Centered Spatial Discretization
– Jameson-Schmidt-Turkel(JST) Scheme
– Local Time Stepping
– Implicit Residual Smoothing
– Multigridding
• Turbulence
– Spalart-Allmaras One Equation Model solved by ADI Scheme for Multi-Element
Airfoil Designs. ( Dr. Creigh McNeil )
• ADJ103-MB : The same methodology.
• MPI (Message Passing Interface) parallel solution methodology.
& %
' $
FLO103-MB CONVERGENCE HISTORY (SA Model)
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000−2
0
2
4
6
8
Cl
Cl Convergence History
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200010
−2
100
102
104
Multigrid Cycles
Res
idua
l
FLO103MB Convergence History
4a: Convergence history for the Spalart-Allmaras model
& %
' $
Cp Comparison : M=0.2, α = 8◦, Re = 9× 106, 30P30N
30P30N TEST MACH 0.200 ALPHA 8.010
CL 3.1514 CD 0.0651 CM -1.3693
GRID 118784 NCYC 2000 RES 0.950E+00
2.0
00
1.0
00
0.0
00
-1.0
00
-2.0
00
-3.0
00
-4.0
00
-5.0
00
-6.0
00
-7.0
00
-8.0
00
Cp
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++
+++
++
+++
++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+++++++++++++++++++++++++++++
+++++
++++
++++
++
++
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
++++
+
++
++
+
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++
++
++
++
++
++
++
+
++++
+++++
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+++++++++++++++++++++++++++++++
+
oooooooooooooo
oo
oo
o
o
oooo
oo
ooooo
oooo
o
o
o
o
oo o o o o o o o o ooooooooo
ooooooooo
oooooooooo
o
o
o
oooooooo
ooooooo
oo
o
ooooooooo
ooo
oo
ooooooo
oooooo
o
o
o
o
oooooooooooooooo
oo
4b: Experimental and computational Cp : o - Exp. +,x - Comp.
& %
' $
Stall Prediction : M = 0.2, Re = 9× 106
−5 0 5 10 15 20 25−0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
angle of attack
Cl
plot Cl vs. alpha
Total
Main
Slat
Flap
−*− : Comp. o : Exp.
4c: Experimental and computational Cl vs. α
& %
' $
Velocity Profiles : M = 0.2 α = 8◦ Re = 9× 106
4d: High-Lift Configuration
0 0.1 0.2 0.3 0.40
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
u/ainf
d/c
velocity profile at x=0.45
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
u/ainf
d/c
velocity profile at x=0.89
Comp 9MExp 9M
4e: Comparison of velocity profiles
& %
' $
High–Lift System Design Philosophy
• Neccessary in take-off and landing conditions
– Minimize runway length and Maximize payload.
• Typical Configurations
− High Maximum Lift Coefficient− High L/D (Climb)
��������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������
����������������������������
����������������������������
���������������������
���������������������
�����������������������������������������������������������������
�����������������������������������������������������������������
���������������
���������������
Take−Off Configuration Landing Configuration
− High Maximum Lift Coefficient− Less Strict Requirements on L/D
• Approaches
– Take–off : Maximize Cl while maintaining high L/D.
∗ Fix Cd and Maximize Cl (shape and α)
∗ Fix Cl and Minimize Cd (shape and α)
– Landing : Maximize Cl without worrying about Cd or L/D.
∗ Clmax maximization.
& %
' $
Multi-Element Cl Max. : 30P30N with Fixed Cd=0.065
30P30N TEST MACH 0.200 ALPHA 16.020
CL 4.0414 CD 0.0650 CM -1.4089
GRID 204800 NCYC 5000 RES 0.285E-02
2.0
00 0
.000
-2.
000
-4.
000
-6.
000
-8.
000
-10.
000
-12.
000
-14.
000
-16.
000
-18.
000
Cp
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++
++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
5a: Initial, Cl=4.0412
M = 0.2, α = 16.02◦, Re = 9× 106,
Cd = 0.0650
30P30N TEST MACH 0.200 ALPHA 15.127
CL 4.1227 CD 0.0661 CM -1.4610
GRID 204800 NCYC 5000 RES 0.185E-01
2.0
00 0
.000
-2.
000
-4.
000
-6.
000
-8.
000
-10.
000
-12.
000
-14.
000
-16.
000
-18.
000
Cp
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++++++++++
+++++++++++++++++++++++++++
++
++++++++++++++
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
5b: 10 Design Iteration, Cl=4.1227
M = 0.2, α = 15.127◦, Re = 9× 106,
Cd = 0.0661
& %
' $
RAE2822 Clmax Maximization.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 180.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
angle of attack(α), degrees
Cl
Clmax
Maximization for RAE2822 Airfoil (Approah I)
O
A
B C
α at Clmax
: 11.1 %,Cl
max : 14 % improved.
Cl = 2π α (radian)
& %
' $
RAE2822 Clmax Maximization.
RAE2822 TEST MACH 0.200 ALPHA 14.633
CL 1.6430 CD 0.0359 CM -0.4346
GRID 32768 NCYC 1000 RES 0.150E-02
2.0
00 0
.000
-2.
000
-4.
000
-6.
000
-8.
000
-10.
000
-12.
000
-14.
000
-16.
000
-18.
000
Cp
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
5c: Initial, Cl=1.6430
M = 0.2, α = 14.633◦, Re = 6.5M ,
Cd = 0.0359
RAE2822 TEST MACH 0.200 ALPHA 14.633
CL 1.8270 CD 0.0326 CM -0.4901
GRID 32768 NCYC 1000 RES 0.168E-03
2.0
00 0
.000
-2.
000
-4.
000
-6.
000
-8.
000
-10.
000
-12.
000
-14.
000
-16.
000
-18.
000
Cp
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+++++
+
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
5d: 31 Design Iterations, Cl = 1.8270
M = 0.2, α = 14.633◦, Re = 9× 106,
Cd = 0.0326.
& %
' $
RAE2822 Clmax Maximization Using α and Bump.
0 2 4 6 8 10 12 14 16 180.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
angle of attack(α), degrees
Cl
Clmax
Maximization for RAE2822 Airfoil (Approach II)
α at Clmax
: 6.8 %,Cl
max : 13.3 % improved.
Cl = 2πα(radian)
Approach II Design Curve
Approach I Design Curve
O
A
B C
D
E
& %
' $
30P30N Clmax Maximization.
19 20 21 22 23 24 25 264.2
4.25
4.3
4.35
4.4
4.45
4.5
4.55Maximum Cl Maximization for 30P30N
angle of attack(α), degrees
Cl
Design Curve
Baseline Cl vs. α Curve
α at Clmax
: 501 Cl counts,α
clmax : 0.1o increased.
S
Edesigned
Ebaseline
& %
' $
Conclusions and Future Work
• Making use of the Large Computational Savings provided by the Adjoint
Method, a Numerical Optimization Procedure for Designs of
High-Dimensional Design Space has been developed.
• High-Lift System Configuration Design Examples have been performed in order
to validate the Sensitivity Calculation Procedure using our Continuous Viscous
Adjoint Method.
• Further Study of Adjoint Solver and Adjoint Boundary Conditions.
• Enhancement of Design Methods by Survey of Optimization Algorithm and Design
Parameterization.
• Extension to More Realistic Problems inculding 3D Design Problems and Multi
Point Designs
& %
Top Related