State-of-the-art in aerodynamic shape optimisation methods

Aerodynamic optimisation has become an indispensable component for any aerodynamic design over the past 60 years, with applications to aircraft, cars, trains, bridges, wind turbines, internal pipe flows, and cavities, among others, and is thus relevant in many facets of technology. With advancements in computational power, automated design optimisation procedures have become more competent, however, there is an ambiguity and bias throughout the literature with regards to relative performance of optimisation architectures and employed algorithms. This paper provides a well-balanced critical review of the dominant optimisation approaches that have been integrated with aerodynamic theory for the purpose of shape optimisation. A total of 229 papers, published in more than 120 journals and conference proceedings, have been classified into 6 different optimisation algorithm approaches. The material cited includes some of the most well-established authors and publications in the field of aerodynamic optimisation. This paper aims to eliminate bias toward certain algorithms by analysing the limitations, drawbacks, and the benefits of the most utilised optimisation approaches. This review provides comprehensive but straightforward insight for non-specialists and reference detailing the current state for specialist practitioners

Efficient simulation tools for real-time monitoring and control using model order reduction and data-driven techniques

Numerical simulation, the use of computers to run a program which implements a mathematical model for a physical system, is an important part of today technological world. It is required in many scientific and engineering fields to study the behaviour of systems whose mathematical models are too complex to provide analytical solutions and it makes virtual evaluation of systems responses possible (virtual twins). This drastically reduces the number of experimental tests for accurate designs of the real system that the numerical model represents. However these virtual twins, based on classical methods which make use of a rich representations of the system (ex. finite element method), rarely allows real-time feedback, even when considering high performance computing, operating on powerful platforms. In these circumstances, the real-time performance required in some applications are compromised. Indeed the virtual twins are static, that is, they are used in the design of complex systems and their components, but they are not expected to accommodate or assimilate data so as to define dynamic data-driven application systems. Moreover significant deviations between the observed response and the one predicted by the model are usually noticed due to inaccuracy in the employed models, in the determination of the model parameters or in their time evolution. In this thesis we propose different methods to solve these handicaps in order to perform real-time monitoring and control. In the first part Model Order Reduction (MOR) techniques are used to accommodate real-time constraints; they compute a good approximation of the solution by simplifying the solution procedure instead of the model. The accuracy of the predicted solution is not compromised and efficient simulations can be performed (digital twins). In the second part Data-Driven modelling are employed to fill the gap between the parametric solution computed by using non-intrusive MOR techniques and the measured fields, in order to make dynamic data-driven application systems, DDDAS, possible (Hybrid Twins).La simulación numérica, el uso de ordenadores para ejecutar un programa que implementa un modelo matemático de un sistema físico, es una parte importante del mundo tecnológico actual. En muchos campos de la ciencia y la ingeniería es necesario estudiar el comportamiento de sistemas cuyos modelos matemáticos son demasiado complejos para proporcionar soluciones analíticas, haciendo posible la evaluación virtual de las respuestas de los sistemas (gemelos virtuales). Esto reduce drásticamente el número de pruebas experimentales para los diseños precisos del sistema real que el modelo numérico representa. Sin embargo, estos gemelos virtuales, basados en métodos clásicos que hacen uso de una rica representación del sistema (por ejemplo, el método de elementos finitos), rara vez permiten la retroalimentación en tiempo real, incluso cuando se considera la computación en plataformas de alto rendimiento. En estas circunstancias, el rendimiento en tiempo real requerido en algunas aplicaciones se ve comprometido. En efecto, los gemelos virtuales son estáticos, es decir, se utilizan en el diseño de sistemas complejos y sus componentes, pero no se espera que acomoden o asimilen los datos para definir sistemas de aplicación dinámicos basados en datos. Además, se suelen apreciar desviaciones significativas entre la respuesta observada y la predicha por el modelo, debido a inexactitudes en los modelos empleados, en la determinación de los parámetros del modelo o en su evolución temporal. En esta tesis se proponen diferentes métodos para resolver estas limitaciones con el fin de realizar un seguimiento y un control en tiempo real. En la primera parte se utilizan técnicas de Reducción de Modelos para satisfacer las restricciones en tiempo real; estas técnicas calculan una buena aproximación de la solución simplificando el procedimiento de resolución en lugar del modelo. La precisión de la solución no se ve comprometida y se pueden realizar simulaciones efficientes (gemelos digitales). En la segunda parte se emplea la modelización basada en datos para llenar el vacío entre la solución paramétrica, calculada utilizando técnicas de reducción de modelos no intrusivas, y los campos medidos, con el fin de hacer posibles los sistemas de aplicación dinámicos basados en datos (gemelos híbridos).La simulation numérique, c'est-à-dire l'utilisation des ordinateurs pour exécuter un programme qui met en oeuvre un modèle mathématique d'un système physique, est une partie importante du monde technologique actuel. Elle est nécessaire dans de nombreux domaines scientifiques et techniques pour étudier le comportement de systèmes dont les modèles mathématiques sont trop complexes pour fournir des solutions analytiques et elle rend possible l'évaluation virtuelle des réponses des systèmes (jumeaux virtuels). Cela réduit considérablement le nombre de tests expérimentaux nécessaires à la conception précise du système réel que le modèle numérique représente. Cependant, ces jumeaux virtuels, basés sur des méthodes classiques qui utilisent une représentation fine du système (ex. méthode des éléments finis), permettent rarement une rétroaction en temps réel, même dans un contexte de calcul haute performance, fonctionnant sur des plates-formes puissantes. Dans ces circonstances, les performances en temps réel requises dans certaines applications sont compromises. En effet, les jumeaux virtuels sont statiques, c'est-à-dire qu'ils sont utilisés dans la conception de systèmes complexes et de leurs composants, mais on ne s'attend pas à ce qu'ils prennent en compte ou assimilent des données afin de définir des systèmes d'application dynamiques pilotés par les données. De plus, des écarts significatifs entre la réponse observée et celle prévue par le modèle sont généralement constatés en raison de l'imprécision des modèles employés, de la détermination des paramètres du modèle ou de leur évolution dans le temps. Dans cette thèse, nous proposons di érentes méthodes pour résoudre ces handicaps afin d'effectuer une surveillance et un contrôle en temps réel. Dans la première partie, les techniques de Réduction de Modèles sont utilisées pour tenir compte des contraintes en temps réel ; elles calculent une bonne approximation de la solution en simplifiant la procédure de résolution plutôt que le modèle. La précision de la solution n'est pas compromise et des simulations e caces peuvent être réalisées (jumeaux numériquex). Dans la deuxième partie, la modélisation pilotée par les données est utilisée pour combler l'écart entre la solution paramétrique calculée, en utilisant des techniques de réduction de modèles non intrusives, et les champs mesurés, afin de rendre possibles des systèmes d'application dynamiques basés sur les données (jumeaux hybrides)

Numerical and experimental investigation of spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring

Structural health monitoring has been defined as the acquisition, validation and analysis of technical data to facilitate life- cycle management decisions. It is the result of a convergent path from many previous existing disciplines the two most influential being condition monitoring for rotary machinery and non-destructive testing. Vibration based testing presents the greatest stage of maturity of all non-destructive techniques applied to structural health monitoring. Although modal domain use is convention, spectral domain data is by nature more complete in information and requires less manipulation. The use of spectral-domain measurements brings the need to develop new damage detection indicators, as much of the literature existing is focused on modal derived damage indicators. In this work, an integrated methodology for the evaluation of some spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring is proposed. These indicators, namely the CFDAC and SCIs, are based on the correlation between covariance matrices of frequency response functions obtained from experimental modal analysis. An extensive numerical campaign is performed on a simple structure (consisting on a 1-edge clamped square aluminium plate) over multiple structural alteration scenarios to assess the sensibility and stability of the proposed indexes in front of common acquisition parameters. The ability of the proposed indicators to assess structural alteration progression is also evaluated. This numerical analysis is used as well to observe the relationship between proposed indicators and the residual stiffness of the simple structure evaluated in terms of relative shift from the pristine condition. Finally, the numerical methodology proposed is applied to a different and more complex typology of structure, a 3d latticed and downscaled power transmission tower to investigate the validity of the methodology for other structural configurations. Some of the cases studied in the numeric campaign are later reproduced in experimental scenarios using two specimens of aluminium plates and a downscaled prototype of a power transmission tower. Stability analysis on the indicators are reproduced and confirmed. For the aluminium plates, the relationship between indicators and residual stiffness is also obtained, showing close agreement with numerical data. Sensibility of the indicators to detect different damage typologies is found to be very similar to the one obtained in the initial numerical analysis. Results for the downscaled prototype model tower shown more dispersion than the results observed in the numerical investigation due to the influence of the boundary conditions in the model. The research finally applies the structural damage alteration indexes studied to the detection of degradation in a real scale structure in an operational environment. An installation consisting of 3 full-scale medium-voltage power transmission towers is constructed. An experimental modal analysis campaign is performed on the central tower of the installation by introducing a series of intentionally made structural alterations on the structure. Spectral indicators developed are applied to the detection of those structural modifications with noticeable success. Cases involving changes in the structural components of the tower are successfully detected. Changes in the interface between power lines and their supports of the tower are hardly noticeable using this methodology. Results of this investigation show that spectral domain damage indicators present some advantages over modal domain and temporal domain based indicators such as convenient condensing procedures without loss of information through the Fourier transform, added post-process simplicity and enhanced sensitivity to degradation that state of the art indexes.Es coneix com monitorització de la salut estructural a l'adquisició, validació i anàlisis de dades tècniques que faciliten la presa de decisions al llarg del cicle de vida d'un sistema. Aquesta tecnologia és resultat de la convergència tecnològica d'altres disciplines, com la monitorització operacional per màquines rotatòries i les tècniques d'assaig no destructiu. Els mètodes d'assaig basats en vibracions presenten el major grau de maduresa d'entre totes elles. Malgrat que la pràctica industrial sovint usa informació condensada en el domini modal, les dades en domini espectral son per naturalesa més completes i requereixen de menys post-procés. La utilització del domini espectral requereix desenvolupar nous indicadors d'alteració ja que la major part de la literatura existent se centra en indicadors basats en el domini modal. Es proposa una metodologia integrada per a la avaluació d'alguns indicadors d'alteració estructural en domini modal basats en vibració i aplicats a la monitorització de la salut estructural. Aquests indicadors, referits com a CFDAC i SCIs, estan basats en la correlació entre les matrius de covariància generades a partir de les funcions de resposta en freqüència obtingudes mitjançant anàlisi modal experimental. Es realitza una extensa campanya numèrica en una estructura senzilla (una placa d'alumini quadrada i encastada) a través d'una multitud d'estats estructuralment alterats per avaluar la sensibilitat i l'estabilitat dels indicadors enfront els paràmetres d?adquisició més comuns. En segon lloc, també s?avalua la capacitat dels indicadors per avaluar l'alteració estructural introduïda en cada cas. L'anàlisi numèrica s'utilitza a continuació per observar una possible relació entre els indicadors proposats i la rigidesa residual avaluada com a variació relativa respecte el seu valor intacte. Finalment, la metodologia numèric proposada s'aplica a una tipologia estructural diferent i més complexa, una estructura reticulada 3d que reprodueix una torre de transmissió d'energia elèctrica a escala per investigar la validesa de la metodologia en altres configuracions estructurals. Alguns dels casos estudiats a la campanya numèrica es reprodueixen experimentalment en un parell d?espècimens de placa d'alumini i en un prototip a escala de torre de transmissió elèctrica. Els anàlisis d'estabilitat numèrics sobre els indicadors es reprodueixen experimentalment, tot confirmant els resultats obtinguts. Per les plaques d'alumini, s'estudia la relació entre els indicadors i la rigidesa residual mostrant una correlació molt propera amb els resultats numèrics. La sensibilitat dels indicadors en la detecció de diferents tipologies de dany també s'observa molt similar als casos numèrics. Pere altra banda, els resultats experimentals sobre el prototip de torre a escala presenten més dispersió respecte a la corresponent campanya numèrica degut a la variabilitat en les condicions de contorn. Els indicadors proposats s'apliquen finalment en la detecció d'alteracions estructurals en una torre a escala real en condicions operacionals. Es construeix una línia que consisteix en tres torres de mitja tensió i s'executen anàlisis modals experimentals en la torre central de la mencionada instal·lació tot introduint una sèrie d'alteracions estructurals intencionals. Els indicadors espectrals presentats s'apliquen a la detecció de dites alteracions amb un èxit apreciable. Els casos que incorporen canvis en els membres de l'estructura son detectats amb èxit, mentre que la detecció en els casos que incorporen modificacions sobre les interfícies cable-estructura son més difusament detectables. Els resultats de la investigació mostren que els indicadors estructurals espectrals estudiats presenten algunes avantatges sobre els indicadors basats en domini com ara un procés de condensació més senzill sense pèrdua d'informació vibratòria (...

A high speed Tri-Vision system for automotive applications

Purpose: Cameras are excellent ways of non-invasively monitoring the interior and exterior of vehicles. In particular, high speed stereovision and multivision systems are important for transport applications such as driver eye tracking or collision avoidance. This paper addresses the synchronisation problem which arises when multivision camera systems are used to capture the high speed motion common in such applications. Methods: An experimental, high-speed tri-vision camera system intended for real-time driver eye-blink and saccade measurement was designed, developed, implemented and tested using prototype, ultra-high dynamic range, automotive-grade image sensors specifically developed by E2V (formerly Atmel) Grenoble SA as part of the European FP6 project – sensation (advanced sensor development for attention stress, vigilance and sleep/wakefulness monitoring). Results : The developed system can sustain frame rates of 59.8 Hz at the full stereovision resolution of 1280 × 480 but this can reach 750 Hz when a 10 k pixel Region of Interest (ROI) is used, with a maximum global shutter speed of 1/48000 s and a shutter efficiency of 99.7%. The data can be reliably transmitted uncompressed over standard copper Camera-Link® cables over 5 metres. The synchronisation error between the left and right stereo images is less than 100 ps and this has been verified both electrically and optically. Synchronisation is automatically established at boot-up and maintained during resolution changes. A third camera in the set can be configured independently. The dynamic range of the 10bit sensors exceeds 123 dB with a spectral sensitivity extending well into the infra-red range. Conclusion: The system was subjected to a comprehensive testing protocol, which confirms that the salient requirements for the driver monitoring application are adequately met and in some respects, exceeded. The synchronisation technique presented may also benefit several other automotive stereovision applications including near and far-field obstacle detection and collision avoidance, road condition monitoring and others.Partially funded by the EU FP6 through the IST-507231 SENSATION project.peer-reviewe

Numerical and experimental investigation of spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring

Structural health monitoring has been defined as the acquisition, validation and analysis of technical data to facilitate life- cycle management decisions. It is the result of a convergent path from many previous existing disciplines the two most influential being condition monitoring for rotary machinery and non-destructive testing. Vibration based testing presents the greatest stage of maturity of all non-destructive techniques applied to structural health monitoring. Although modal domain use is convention, spectral domain data is by nature more complete in information and requires less manipulation. The use of spectral-domain measurements brings the need to develop new damage detection indicators, as much of the literature existing is focused on modal derived damage indicators. In this work, an integrated methodology for the evaluation of some spectral domain vibration based indicators for structural health monitoring is proposed. These indicators, namely the CFDAC and SCIs, are based on the correlation between covariance matrices of frequency response functions obtained from experimental modal analysis. An extensive numerical campaign is performed on a simple structure (consisting on a 1-edge clamped square aluminium plate) over multiple structural alteration scenarios to assess the sensibility and stability of the proposed indexes in front of common acquisition parameters. The ability of the proposed indicators to assess structural alteration progression is also evaluated. This numerical analysis is used as well to observe the relationship between proposed indicators and the residual stiffness of the simple structure evaluated in terms of relative shift from the pristine condition. Finally, the numerical methodology proposed is applied to a different and more complex typology of structure, a 3d latticed and downscaled power transmission tower to investigate the validity of the methodology for other structural configurations. Some of the cases studied in the numeric campaign are later reproduced in experimental scenarios using two specimens of aluminium plates and a downscaled prototype of a power transmission tower. Stability analysis on the indicators are reproduced and confirmed. For the aluminium plates, the relationship between indicators and residual stiffness is also obtained, showing close agreement with numerical data. Sensibility of the indicators to detect different damage typologies is found to be very similar to the one obtained in the initial numerical analysis. Results for the downscaled prototype model tower shown more dispersion than the results observed in the numerical investigation due to the influence of the boundary conditions in the model. The research finally applies the structural damage alteration indexes studied to the detection of degradation in a real scale structure in an operational environment. An installation consisting of 3 full-scale medium-voltage power transmission towers is constructed. An experimental modal analysis campaign is performed on the central tower of the installation by introducing a series of intentionally made structural alterations on the structure. Spectral indicators developed are applied to the detection of those structural modifications with noticeable success. Cases involving changes in the structural components of the tower are successfully detected. Changes in the interface between power lines and their supports of the tower are hardly noticeable using this methodology. Results of this investigation show that spectral domain damage indicators present some advantages over modal domain and temporal domain based indicators such as convenient condensing procedures without loss of information through the Fourier transform, added post-process simplicity and enhanced sensitivity to degradation that state of the art indexes.Es coneix com monitorització de la salut estructural a l'adquisició, validació i anàlisis de dades tècniques que faciliten la presa de decisions al llarg del cicle de vida d'un sistema. Aquesta tecnologia és resultat de la convergència tecnològica d'altres disciplines, com la monitorització operacional per màquines rotatòries i les tècniques d'assaig no destructiu. Els mètodes d'assaig basats en vibracions presenten el major grau de maduresa d'entre totes elles. Malgrat que la pràctica industrial sovint usa informació condensada en el domini modal, les dades en domini espectral son per naturalesa més completes i requereixen de menys post-procés. La utilització del domini espectral requereix desenvolupar nous indicadors d'alteració ja que la major part de la literatura existent se centra en indicadors basats en el domini modal. Es proposa una metodologia integrada per a la avaluació d'alguns indicadors d'alteració estructural en domini modal basats en vibració i aplicats a la monitorització de la salut estructural. Aquests indicadors, referits com a CFDAC i SCIs, estan basats en la correlació entre les matrius de covariància generades a partir de les funcions de resposta en freqüència obtingudes mitjançant anàlisi modal experimental. Es realitza una extensa campanya numèrica en una estructura senzilla (una placa d'alumini quadrada i encastada) a través d'una multitud d'estats estructuralment alterats per avaluar la sensibilitat i l'estabilitat dels indicadors enfront els paràmetres d?adquisició més comuns. En segon lloc, també s?avalua la capacitat dels indicadors per avaluar l'alteració estructural introduïda en cada cas. L'anàlisi numèrica s'utilitza a continuació per observar una possible relació entre els indicadors proposats i la rigidesa residual avaluada com a variació relativa respecte el seu valor intacte. Finalment, la metodologia numèric proposada s'aplica a una tipologia estructural diferent i més complexa, una estructura reticulada 3d que reprodueix una torre de transmissió d'energia elèctrica a escala per investigar la validesa de la metodologia en altres configuracions estructurals. Alguns dels casos estudiats a la campanya numèrica es reprodueixen experimentalment en un parell d?espècimens de placa d'alumini i en un prototip a escala de torre de transmissió elèctrica. Els anàlisis d'estabilitat numèrics sobre els indicadors es reprodueixen experimentalment, tot confirmant els resultats obtinguts. Per les plaques d'alumini, s'estudia la relació entre els indicadors i la rigidesa residual mostrant una correlació molt propera amb els resultats numèrics. La sensibilitat dels indicadors en la detecció de diferents tipologies de dany també s'observa molt similar als casos numèrics. Pere altra banda, els resultats experimentals sobre el prototip de torre a escala presenten més dispersió respecte a la corresponent campanya numèrica degut a la variabilitat en les condicions de contorn. Els indicadors proposats s'apliquen finalment en la detecció d'alteracions estructurals en una torre a escala real en condicions operacionals. Es construeix una línia que consisteix en tres torres de mitja tensió i s'executen anàlisis modals experimentals en la torre central de la mencionada instal·lació tot introduint una sèrie d'alteracions estructurals intencionals. Els indicadors espectrals presentats s'apliquen a la detecció de dites alteracions amb un èxit apreciable. Els casos que incorporen canvis en els membres de l'estructura son detectats amb èxit, mentre que la detecció en els casos que incorporen modificacions sobre les interfícies cable-estructura son més difusament detectables. Els resultats de la investigació mostren que els indicadors estructurals espectrals estudiats presenten algunes avantatges sobre els indicadors basats en domini com ara un procés de condensació més senzill sense pèrdua d'informació vibratòria (...)Postprint (published version

Modelado jerárquico de objetos 3D con superficies de subdivisión

Las SSs (Superficies de Subdivisión) son un potente paradigma de modelado de objetos 3D (tridimensionales) que establece un puente entre los dos enfoques tradicionales a la aproximación de superficies, basados en mallas poligonales y de parches alabeados, que conllevan problemas uno y otro. Los esquemas de subdivisión permiten definir una superficie suave (a tramos), como las más frecuentes en la práctica, como el límite de un proceso recursivo de refinamiento de una malla de control burda, que puede ser descrita muy compactamente. Además, la recursividad inherente a las SSs establece naturalmente una relación de anidamiento piramidal entre las mallas / NDs (Niveles de Detalle) generadas/os sucesivamente, por lo que las SSs se prestan extraordinariamente al AMRO (Análisis Multiresolución mediante Ondículas) de superficies, que tiene aplicaciones prácticas inmediatas e interesantísimas, como la codificación y la edición jerárquicas de modelos 3D. Empezamos describiendo los vínculos entre las tres áreas que han servido de base a nuestro trabajo (SSs, extracción automática de NDs y AMRO) para explicar como encajan estas tres piezas del puzzle del modelado jerárquico de objetos de 3D con SSs. El AMRO consiste en descomponer una función en una versión burda suya y un conjunto de refinamientos aditivos anidados jerárquicamente llamados "coeficientes ondiculares". La teoría clásica de ondículas estudia las señales clásicas nD: las definidas sobre dominios paramétricos homeomorfos a R" o (0,1)n como el audio (n=1), las imágenes (n=2) o el vídeo (n=3). En topologías menos triviales, como las variedades 2D) (superficies en el espacio 3D), el AMRO no es tan obvio, pero sigue siendo posible si se enfoca desde la perspectiva de las SSs. Basta con partir de una malla burda que aproxime a un bajo ND la superficie considerada, subdividirla recursivamente y, al hacerlo, ir añadiendo los coeficientes ondiculares, que son los detalles 3D necesarios para obtener aproximaciones más y más finas a la superficie original. Pasamos después a las aplicaciones prácticas que constituyen nuestros principal desarrollo original y, en particular, presentamos una técnica de codificación jerárquica de modelos 3D basada en SSs, que actúa sobre los detalles 3D mencionados: los expresa en un referencial normal loscal; los organiza según una estructura jerárquica basada en facetas; los cuantifica dedicando menos bits a sus componentes tangenciales, menos energéticas, y los "escalariza"; y los codifica dinalmente gracias a una técnica similar al SPIHT (Set Partitioning In Hierarchical Tress) de Said y Pearlman. El resultado es un código completamente embebido y al menos dos veces más compacto, para superficies mayormente suaves, que los obtenidos con técnicas de codificación progresiva de mallas 3D publicadas previamente, en las que además los NDs no están anidados piramidalmente. Finalmente, describimos varios métodos auxiliares que hemos desarrollado, mejorando técnicas previas y creando otras propias, ya que una solución completa al modelado de objetos 3D con SSs requiere resolver otros dos problemas. El primero es la extracción de una malla base (triangular, en nuestro caso) de la superficie original, habitualmente dada por una malla triangular fina con conectividad arbitraria. El segundo es la generación de un remallado recursivo con conectividad de subdivisión de la malla original/objetivo mediante un refinamiento recursivo de la malla base, calculando así los detalles 3D necesarios para corregir las posiciones predichas por la subdivisión para nuevos vértices