Tomorrow morning at 10:30 a.m., Mr. Wassim ABDEL NOUR will defend his doctoral thesis entitled: Topological Optimization of High Efficiency Heat Exchangers by Level-Set Method and Anisotropic Mesh Adaptation. This thesis was carried out as part of the European H2020 project: PANTTHER (exPerimental And Numerical mulTiscale mulTiphasic Heat ExchangeR) and co-financed with its own funds by TEMISTh. Wassim’s work has enabled TEMISTh to improve its skills in the automation of its exchanger design and modeling methods. We would like to warmly thank Wassim for these 3 years spent as an R&D engineer in our team and particularly during the year 2023. His good humor and dynamism have largely contributed to the resumption of the company’s activities.
Summary :
This thesis addresses the topology optimization of multiphysics systems using the Level-Set method for interface tracking and the continuous adjoint method for sensitivity calculation. It begins by addressing the problems of incompressible laminar flows, then extends to conjugated heat transfer systems. The optimization framework combines an immersed volume method to solve stabilized finite element formulations integrated within the Variational Multiscale (VMS) method with distance functions representing the fluid-solid interface, used as an estimator of a posteriori error to minimize the interpolation error under the constraint of a prescribed number of nodes in the mesh. Both the resolution and remeshing steps are performed in a massively parallel framework, enabling the optimization of complex systems. In particular, an original parallelization strategy is used for mesh adaptation, which combines local remeshing performed sequentially and independently on each subdomain with blocked interfaces and constrained distribution to optimally move interfaces between subdomains. domains (both are iterated until a satisfactory mesh and partition are obtained). Numerical results are provided for several two-dimensional and three-dimensional problems of minimizing pressure loss and/or improving heat transfer, involving varying degrees of freedom of the state, ranging from several thousand (in 2D problems) to several tens of millions (in 3D problems). The optimal designs agree well with literature benchmark results while providing superior accuracy compared to previous studies resolved on isotropic meshes. The potential of the method for engineering problems of practical interest is finally exposed by optimizing the distribution and collection parts transporting cold fluid inside the plates of a plate-fin heat exchanger.
Résumé :
Cette thèse aborde l’optimisation topologique des systèmes multiphysiques en utilisant la méthode Level-Set pour le suivi d’interface et la méthode adjointe continue pour le calcul de la sensibilité. Elle commence par aborder les problèmes d’écoulements laminaires incompressibles, puis s’étend aux systèmes de transfert de chaleur conjugué. Le cadre d’optimisation combine une méthode de volume immergé pour résoudre des formulations d’éléments finis stabilisées intégrées dans le cadre de la méthode de Variational Multiscale (VMS) avec des fonctions distances représentants l’interface fluide-solide, utilisées comme estimateur d’erreur a posteriori pour minimiser l’erreur d’interpolation sous contrainte d’un nombre prescrit de nœuds dans le maillage. Les étapes de résolution et de remaillage sont toutes deux effectuées dans un cadre massivement parallèle, permettant l’optimisation de systèmes complexes. En particulier, une stratégie de parallélisation originale est utilisée pour l’adaptation du maillage, qui combine le remaillage local effectué séquentiellement et indépendamment sur chaque sous-domaine avec des interfaces bloquées et une répartition contrainte pour déplacer de manière optimale les interfaces entre les sous-domaines (les deux sont itérés jusqu’à obtenir un maillage et une partition satisfaisants). Des résultats numériques sont fournis pour plusieurs problèmes bidimensionnels et tridimensionnels de minimisation de perte de charges et/ou d’amélioration du transfert de chaleur, impliquant des degrés de liberté de l’état variables, allant de plusieurs milliers (dans les problèmes en 2D) à plusieurs dizaines de millions (dans les problèmes en 3D). Les conceptions optimales concordent bien avec les résultats de référence de la littérature tout en offrant une précision supérieure par rapport aux études antérieures résolues sur des maillages isotropes. Le potentiel de la méthode pour les problèmes d’ingénierie d’intérêt pratique est finalement exposé en optimisant les parties de distribution et de collection transportant le fluide froid à l’intérieur des plaques d’un échangeur de chaleur à plaques et à ailettes.
