Método adjunto aplicado à otimização de um bocal convergente-divergente da equipe Kosmos Rocketry

Abstract

O trabalho tem como objetivo otimizar um bocal do motor da Kosmos Rocketry, equipe de desenvolvimento de foguetes experimentais da UFSC Joinville. Uma tubeira deve expandir de forma suave um escoamento. O desempenho da tubeira é baseado principalmente em maximizar o empuxo na saída. Na otimização, muitas configurações de projeto devem ser exploradas, o que não pode ser feito de forma viável apenas com experimentos. O método tradicional de projeto envolve intuição do projetista. A automatização do processo de otimização é baseada na perturbação da geometria para alcançar o valor ótimo da função objetivo. Porém, isso requer um elevado custo computacional com métodos diretos. Dessa forma, o método adjunto mostra-se como uma alternativa para reduzir o custo e o tempo computacional para calcular os gradientes de uma função objetivo em relação aos parâmetros de projeto, acelerando o processo de otimização automático da geometria sem necessidade de alterações manuais pelo projetista.

This work aims to optimize an engine nozzle from Kosmos Rocketry, an experimental sounding rocket development team at UFSC Joinville. A nozzle must expand smoothly the flow. The nozzle performance is mainly based on maximizing the thrust. In optimization, many design configurations must be explored, which cannot feasibly be done with experiments alone. The traditional design method involves the designer's intuition. The automation of the optimization process is based on the perturbation of the geometry to achieve the optimal value of the objective function. However, this requires a high computational cost with direct methods. In this way, the adjoint method appears as an alternative to reduce the cost and computational time to calculate the gradients of an objective function about the design parameters, accelerating the automatic geometry optimization process without needing manual changes by the designer.