Bayesian optimization of in-situ adaptive tabulation for marine engine CFD simulations
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-03-11
Department
Major/Subject
Mechanical Engineering
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)
Language
en
Pages
78 + 2
Series
Abstract
This thesis presents a comprehensive optimization study of In-situ Adaptive Tabulation (ISAT) control parameters in the context of enhancing the computational efficiency of reactive marine diesel engine simulations using computational fluid dynamics (CFD). Historically, despite ISAT seeing numerous successful applications in the realm of homogeneous charge combustors, the choice of ISAT parameters has largely eluded detailed studies. This is especially evident in the context of highly in-homogeneous combustion environments, such as those typically found in diesel engines. To address this, a detailed Bayesian optimization study was carried out to systematically tune ISAT parameters, with the objective of minimizing computational cost while preserving the fidelity of the resolved combustion processes. The methodology of this thesis encompasses the formulation and implementation of an end-to-end, multi-objective Bayesian optimization framework, innately integrated with the OpenFOAM™ CFD environment to efficiently explore the ISAT configuration parameter space. Standard Gaussian process surrogate models were combined with state-of-the-art acquisition functions, facilitating the exploration of the trade-offs between simulation accuracy and the computational reduction achieved through tabulation. The optimization campaign was conducted using a series of 3D CFD simulations of a marine diesel engine under reactive diesel combustion conditions, incorporating detailed chemistry, a moving computational mesh, and diesel surrogate fuel injection. This provided a challenging, constant thermochemical environment for evaluating ISAT's behavior in. The results highlight the importance of rigorously choosing ISAT's configuration parameters. Poor ISAT configurations were shown to crash and stall simulations, resulting in a negative effect on computational efficiency. Despite this, a wide range of computational reduction was shown to be possible, ranging from less than 5 % to up to 50 %, with broad effects on simulation accuracy. Overall, the results show a strong dependence between the gain in computational efficiency, and the loss in solution accuracy. Finally, guidelines for maximizing the likelihood of good parameter selection are given, together with example configuration values.Tässä opinnäytetyössä esitellään laaja optimointitutkimus In-situ Adaptive Tabulation (ISAT) -menetelmän konfiguraatioparametreista merimoottorien kemiallisesti reaktiivisten virtaussimulaatioiden laskennallisen tehokkuuden parantamisessa. ISAT-menetelmää on historiallisesti käytetty onnistuneesti etenkin esisekoitetuissa puristussytytys (HCCI) -moottoreissa. Tästä huolimatta, ISAT:n konfiguraatioparametrien valintamenetelmät ovat jääneet pitkälti vaille tarkempaa tutkimusta, etenkin esisekoittamattoman, epähomogeenisen palamisen kontekstissa, mikä on tyypillistä esimerkiksi diesel-moottoreille. Tämän puutteen paikkaamiseksi suoritettiin Bayesilainen optimointitutkimus, jossa ISAT-parametreja säädettiin systemaattisesti tavoitteena vähentää laskenta-aikaa, säilyttäen ratkaisujen numeerinen tarkkuus. Opinnäytetyön metodologia kattaa monitavoitteisen bayesialaisen optimointiympäristön toteutuksen laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) kontekstissa. Optimointiympäristö integroitiin OpenFOAM™ -CFD-ympäristön kanssa, mahdollistaen ISAT-parametrien vaikutuksien tehokkaan tutkimisen. Bayesialaiselle optimoinnille tyypilliset, gaussisiin prosesseihin perustuvat sijaismallit yhdistettiin uraauurtavien hankintafunktioiden kanssa, edesauttaen laskennallisen tehokkuuden ja numeerisen tarkkuuden perusteella optimaalisten konfiguraatioiden löytämistä. Optimointikampanja suoritettiin hyväksikäyttäen kolmiulotteista merimoottorin CFD-simulaatioita diesel-palamisolosuhteissa. Simulaatioihin sisällytettiin yksityiskohtainen kemiallisten reaktioiden mallinnus, liikkuva laskennallinen ruudukko, sekä dieselin sijaispolttoaineen ruiskutus. Tämä tarjosi haastavan ympäristön ISAT:n käyttäytymisen mallintamiselle. Tulokset korostavat ISAT:n konfiguraatioparametrien valinnan vaikutusta simulaatioiden lopputulokseen. Heikkojen parametrivalintojen havaittiin aiheuttavan simulaatioissa numeerista epävakautta, johtaen laskennan ennenaikaiseen päättymiseen, tai seisahtuneisiin simulaatioihin. Tästä huolimatta, laskennallisen tehokkuuden osoitettiin olevan parannettavissa laaja-alaisesti, vain \SI{5}{\percent}:sta reiluun \SI{50}{\percent}:iin. Tulokset korostavat laskennallisen tehokkuuden ja numeerisen tarkkuuden välistä, negatiivisesti korreloivaa suhdetta. Lopuksi työssä esitellään ohjeita ja esimerkkejä, joilla maksimoida ISAT-parametrien onnistunut valinta.Description
Supervisor
Vuorinen, VilleThesis advisor
Tekgül, BulutKeywords
ISAT, multi-objective optimization, Bayesian optimization, reacting CFD simulation, internal combustion engine