Using the Vehicle Modeling Function, which can model various 3D nose shapes, nose shape optimization is performed to reduce the aerodynamic drag of the KTX Sancheon. 2D characteristic shapes of the KTX Sancheon nose were extracted and a base model of the KTX Sancheon was constructed for design optimization using the Vehicle Modeling Function. The design space was constructed with the base model and does not violate the shape constraints of commercial trains. Through nose shape optimization with the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno algorithm, the aerodynamic drag of the optimized shape was reduced by 6% compared to that of the base model. The longer nose and sharper edge of the optimized shape weaken the vortices behind the last car and can reduce the aerodynamic drag.
Ku, Yo-Cheon;Rho, Joo-Hyun;Yun, Su-Hwan;Kwak, Min-Ho;Lee, Dong-Ho
Proceedings of the KSR Conference
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2008.06a
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pp.2218-2223
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2008
A nose shape is strongly related with the aerodynamic performances of train. Therefore shape definition and aerodynamic performance analysis are important for train nose shape design. In this study, a new design method was suggested for train nose shape design by configuration function. To this end, the nose shape was classified by box type and each box shape is defined. After that the 3-D shape of train was defined as several mathematical functions by combination of each box shape. Also it was shown that the wind shield of driver's seat and complex curves of surface can be expressed using superposition of functions. This methodology can be used for grid generation of numerical analysis, and applied to aerodynamic optimization design of nose shape.
When a train runs into a tunnel at high-speed, aerodynamic drag suddenly increases and the booming noise is generated at the exit of tunnel. The noise shape is very important to reduce the aerodynamic drag in tunnel as well as on open ground, and the micro-pressure wave that is a source of booming noise is dependent on nose shape, especially on area distribution. In this study, the nose shape has been optimized employing the response surface methodology and the axi-symmetric compressible Navier-Stokes equations. The optimal designs have been executed imposing various conditions of the aerodynamic drag and the micro-pressure wave on object functions. The results show that the multi-objective design was successful to decrease micro-pressure wave and aerodynamic drag of trains.
The tunnel booming noise generated by a train moving into a tunnel has been one of the most serious constraints in the development of the high-speed trains. It is well known that the nose shape of the train has the significant influence on the intensity of the booming noise. In this study, the nose shape has been optimized by using the response surface methodology and the axi-symmetric compressible Euler equations. The parametric studies are also performed with respect to the slenderness ratio, the blockage ratio and the train speed to investigate their sensitivities to the optimization results. The results show that it is possible to define more general design space by introducing the Hicks-Henne shape functions, resulting in the more effective nose shape than that of Maeda. The mechanism and the aspects of the train-tunnel interaction were also investigated from the results of the parametric study.
Ku, Yo-Cheon;Yun, Su-Hwan;Rho, Joo-Hyun;Kim, Kyu-Hong;Lee, Dong-Ho;Kwon, Hyeok-Bin
Proceedings of the KSR Conference
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2008.06a
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pp.2207-2212
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2008
The next generation of Korean high-speed train under development will be designed for the maximum operating speed of 350km/h and maximum speed of 400km/h. This high-speed operation may cause the noise and vibration problems around tunnel exit due to the higher micro-pressure wave than present level. In this study, the nose shape optimization was conducted for the countermeasure against these problems. Axi-symmetric solver was used for numerical simulation, and response surface was used for efficiency of optimization process. Also the multi-step optimization was conducted to find out more accurate optimal shape. Through these analysis and optimization, it was found out that the optimal nose shapes for minimization of micro-pressure wave are definitely different along the nose length variation. And the mechanism of micro-pressure wave reduction was closely investigated by the analysis of generation process of compression wave in tunnel. The results are expected to be used as design guideline for performance improvement of the next generatin of Korean high-speed train.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.10
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pp.1566-1573
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2004
When a projectile travels at high speed underwater, supercavitating flow arises, in which a huge cavity is generated behind the projectile so that only the nose, i.e., the cavitator, of the projectile is wetted, while the rest of it should be surrounded by the cavity. In that case, the projectile can achieve very high speed due to the reduced drag. Furthermore if the nose of the body is shaped properly, the attendant pressure drag can be maintained at a very low value, so that the overall drag is also reduced dramatically. In this study, shape optimization technique is employed to determine the optimum cavitator shape for minimum drag, given certain operating conditions. Shape optimization technique is also used to solve the potential flow problem fur any given cavitator, which is a free boundary value problem having the cavity shape as unknown a priori. Analytical sensitivities are derived for various shape parameters in order to implement a gradient-based optimization algorithm. Simultaneous optimization technique is proposed for efficient cavitator shape optimization, in which the cavity and cavitator shape are determined in a single optimization routine.
When a projectile travels at high speed underwater, supercavitating flow arises, in which a huge cavity is generated behind the projectile so that only the nose, i.e., the cavitator, of the projectile is wetted, while the rest of it should be surrounded by the cavity. In that case, the projectile can achieve very high speed due to the reduced drag. Furthermore if the nose of the body is shaped properly, the attendant pressure drag can be maintained at a very low value, so that the overall drag is also reduced dramatically. In this study, shape optimization technique is employed to determine the optimum cavitator shape for minimum drag, given certain operating conditions. Shape optimization technique is also used to solve the potential flow problem for any given cavitator, which is a free boundary value problem having the cavity shape as unknown a priori. Analytical sensitivities are derived for various shape parameters in order to implement a gradient-based optimization algorithm. Simultaneous optimization technique is proposed for efficient cavitator shape optimization, in which the cavity and cavitator shape are determined in a single optimization routine.
A design optimization of hypersonic flight vehicle has been studied by using upwind Navier-Stokes method and numerical optimization method. CFD method is linked to numerical optimization method by using a Bezier curve and a design optimization of blunt nose hypersonic flight vehicle has been studied. Heat transfer coefficient and drag coefficient are selected as objective functions or design constraints. The Bezier curve-based shape function was applied to blunt body shape.
Kim Sang-Jin;Seon Yong-Hee;Lee Jae-Woo;Byun Yung-Hwan
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2000.10a
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pp.46-53
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2000
To improve the performance at all design points, multi-point optimization method is implemented for the nose fairing shape design of space launcher. The response surface method is used to effectively reduce the huge computational loads during the optimization process. The drag is selected as the objective function, and the surface heat transfer characteristics, and the internal volume of the nose fairing ate considered as design constraints. Full Wavier-Stokes equations are selected as governing equations. Two points drag minimization, and two points drag / heat flux optimization were successfully performed and configurations which have good performance for the wide operation range were derived. By considering three design points, the space launcher shape which undergoes the least drag during whole flight mission was designed. For all the design cases, the constructed response surfaces show good confidence level with only 23 design points with the proper stretching of the design space.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.05a
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pp.82-85
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2008
When a projectile travels at high speed underwater, supercavitating flowarises, in which a huge cavity is generated behind the projectile so that only the nose, i.e., the cavitator, of the projectile is wetted, while the rest of it should be surrounded by the cavity. In that case, the projectile can achieve very high speed due to the reduced drag. Furthermore if the nose of the body is shaped properly, the attendant pressure drag can be maintained at a very low value, so that the overall drag is also reduced dramatically. In this study, shape optimization technique is employed to determine the optimum cavitator shape for minimum drag, given certain operating conditions. Simultaneous optimization technique is proposed for efficient cavitator shape optimization, in which the cavity and cavitator shape are determined in a single optimization routine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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