Multi-fidelity deep learning for aerodynamic shape optimization using convolutional neural network

物理 卷积神经网络 空气动力学 人工神经网络 深度学习 人工智能 航空航天工程 机械 计算机科学 工程类
作者
Guocheng Tao,Chengwei Fan,Wen Wang,Wenjun Guo,Jiahuan Cui
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (5) 被引量:1
标识
DOI:10.1063/5.0205780
摘要

Aerodynamic shape design is essential for improving aircraft performance and efficiency. First, this study introduces a data-driven optimization framework utilizing a multi-fidelity convolutional neural network (MFCNN) for aerodynamic shape optimization. To achieve better optimization results with reduced computational cost, the framework dynamically incorporates new data in each optimization cycle. Specifically, it constantly involves the optimal solution from previous cycle as a new high-fidelity sample and employs a low-fidelity infilling strategy that maximizes the minimum Euclidean distance for selecting new low-fidelity samples. Moreover, a standard synthetic benchmark is used to elaborate the procedure of optimization and show the capability and effectiveness of the framework. Finally, the framework is applied to two aerodynamic shape optimization problems: maximizing the lift-to-drag ratio for the Royal Aircraft Establishment 2822 (RAE2822) airfoils and minimizing the cruise drag coefficient for the three-dimensional (3D) drooped and scarfed non-axisymmetric nacelles. The framework increases the lift-to-drag ratio by 51.21% over the baseline and achieves an 18.79% reduction in the cruise drag coefficient for nacelle optimization, outperforming traditional multi-fidelity deep neural network optimization framework. Sufficiently utilizing the implicit relations between different fidelity levels of data through defined local perceptual fields and convolution, our MFCNN-based optimization framework signifies a step forward in the efficiency and accuracy of aerodynamic shape optimization.
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