Développement d’une approche d’optimisation multi-objectifs pour les turbomachines : application aux compresseurs axiaux et aux ventilateurs miniers / Development of a multi-objective optimization framework for turbomachinery: application to axial compressors and mine ventilators

Fakhkhari, Seyyed Mojtaba (2025). Développement d’une approche d’optimisation multi-objectifs pour les turbomachines : application aux compresseurs axiaux et aux ventilateurs miniers / Development of a multi-objective optimization framework for turbomachinery: application to axial compressors and mine ventilators. (Thèse de doctorat). Université du Québec en Abitibi-Témiscamingue. Depositum. https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1701

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Résumé

RÉSUMÉ

Cette thèse propose une exploration détaillée des techniques d'optimisation avancées et des méthodes de calcul appliquées à la turbomachine et aux composants structuraux, mettant en lumière plusieurs aspects critiques. La recherche commence par une analyse des compresseurs axiaux, utilisant une approche d'interaction fluide-structure et le calcul haute performance pour améliorer la sécurité opérationnelle et la performance. En exploitant la parallélisation MPI et la validation de maillage haute résolution, cette étude permet une amélioration de plus de 33 % de la sécurité du compresseur tout en préservant son efficacité. L'amélioration des ventilateurs de ventilation minière à flux axial est examinée ensuite. Grâce à la méthode des Plans d'Expériences (DOE) et à l'analyse de régression, des améliorations significatives de performance de 9 % sont réalisées, accompagnées de réductions du bruit, des coûts et de la consommation d'énergie. Cela souligne l'efficacité des stratégies d'optimisation pour relever les défis de la ventilation souterraine. La troisième partie introduit un nouvel algorithme de gradient conjugué spectral pour l'optimisation des problèmes non contraints, démontrant une stabilité, des taux de convergence et une efficacité supérieure par rapport aux méthodes traditionnelles. Ce nouvel algorithme représente un avancement significatif dans la résolution des défis complexes d'optimisation.

De plus, l'optimisation de la forme aérodynamique du profil d'aile est réalisée à l'aide du nouvel algorithme d'optimisation de gradient conjugué non contraint, utilisant la paramétrisation Bézier basée sur un code MATLAB couplé avec un solveur CFD. Cette approche aboutit à des améliorations notables des rapports portance/traînée, validant l'efficacité de l'algorithme proposé pour améliorer les performances aérodynamiques. Finalement, l'efficacité aérodynamique et structurelle des ventilateurs à flux axial utilisés pour la ventilation minière a été améliorée en optimisant la conception de la pale Chinook torsadée, ce qui a permis une augmentation de 14,4 % du rapport portance-traînée et une amélioration de 4,5 % des performances du ventilateur. Des modifications structurelles ont également prolongé la durée de vie en fatigue de la pale, améliorant ainsi la fiabilité à long terme en conditions de décrochage.

ABSTRACT

This thesis offers a detailed exploration of advanced optimization and computational techniques applied to turbomachinery and structural components, highlighting several critical aspects. The research begins with an analysis of axial compressors, utilizing a fluid-structure interaction approach and high-performance computing to improve operational safety and performance. By leveraging MPI parallelization and high-resolution mesh validation, this study achieves over a 33% improvement in compressor safety while preserving efficiency. The optimization of axial-flow mine ventilation fans is examined next. Through Design of Experiments (DOE) and regression analysis, significant performance enhancements of 9% are realized, alongside reductions in noise, cost, and energy consumption. This underscores the effectiveness of optimization strategies in addressing the complexities of underground ventilation.

In the third part, a novel spectral conjugate gradient algorithm for unconstrained problem optimization is introduced, demonstrating superior stability, convergence rates, and efficiency compared to traditional methods. This new algorithm represents a significant advancement in solving complex optimization challenges. Further, aerodynamic shape optimization of airfoil profile is achieved using the novel unconstrained conjugate gradient optimization algorithm, employing Bézier parameterization based on MATLAB code coupled with CFD solver. This approach results in notable improvements in lift-to-drag ratios, validating the effectiveness of the proposed algorithm in enhancing aerodynamic performance. Finally, the aerodynamic and structural efficiency of axial-flow fans used in mine ventilation are enhanced by optimizing the twisted Chinook blade design, achieving a 14.4% lift-to-drag ratio improvement and a 4.5% increase in fan performance. Structural modifications also extended the blade's fatigue life, improving long-term reliability under stall conditions.

Type de document:	Thèse ou mémoires (Thèse de doctorat)
Directeur ou directrice de recherche:	Mrad, Hatem
Informations complémentaires:	Institution en extension : Université du Québec à Chicoutimi. // Cette thèse contient des articles publiés dans des revues. Voici les liens vers les versions officielles : l’article « Optimizing the operation safety and performance of an axial compressor using fluid-structure coupling and high-performance computing » a été publié par Elsevier dans la revue « Results in Engineering » en 2023 : https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101061; l’article « Optimization of an axial-flow mine ventilation fan based on effects of design parameters » a été publié par Elsevier dans la revue « Results in Engineering » en 2024 : https://doi.org/10.1016/j.rineng.2023.101662. l’article « Optimization of unconstrained problems using a developed algorithm of spectral conjugate gradient method calculation » a été publié par Elsevier dans la revue « Mathematics and Computers in Simulation » en 2024 : https://doi.org/10.1016/j.matcom.2023.07.026; l’article « Aerodynamic shape optimization of NACA airfoils based on a novel unconstrained conjugate gradient algorithm » a été publié par Elsevier dans la revue «  Journal of Engineering Research » en 2024 : https://doi.org/10.1016/j.jer.2024.07.020.
Mots-clés libres:	Fluid-structure interaction, HPC cluster (high-performance computing), Design of experiments, Mine ventilation, Optimization, Parameterization, Spectral conjugate gradient method, NACA airfoils, Fatigue life, Interaction fluide-structure, Cluster HPC (calcul haute performance), Plan d'expériences (DOE), Ventilation minière, Optimisation, Paramétrisation, Méthode du gradient conjugué spectral, Profils NACA, Durée de vie en fatigue
Divisions:	Génie > Doctorat en ingénierie
Date de dépôt:	05 août 2025 15:12
Dernière modification:	05 août 2025 15:12
URI:	https://depositum.uqat.ca/id/eprint/1701

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