Data assimilation for real-time dynamic prediction of wind-induced forces in vehicle platooning
Saved in:
| Title: | Data assimilation for real-time dynamic prediction of wind-induced forces in vehicle platooning |
|---|---|
| Authors: | Perelló i Ribas, Rafel |
| Thesis Advisors: | Huerta, Antonio, Zlotnik, Sergio, Escola Tècnica Superior d'Enginyeria de Camins, Canals i Ports de Barcelona |
| Source: | TDX (Tesis Doctorals en Xarxa) |
| Publisher Information: | Universitat Politècnica de Catalunya, 2025. |
| Publication Year: | 2025 |
| Physical Description: | 114 p. |
| Subject Terms: | Computational Fluid Dynamics, surrogate modelling, platoon, overtake, cross-wind, Reynolds-Averaged Navier-Stokes, OpenFOAM, sparse grids, multifidelity, multi-index stochastic collocation, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria civil, Àrees temàtiques de la UPC::Aeronàutica i espai, Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria mecànica, 629 - Enginyeria dels vehicles de transport, 531/534 - Mecànica. Vibracions. Acústica |
| Description: | (English) We consider the vehicle platoon problem from an aerodynamic point of view. That is, the multiparametric problem of predicting the aerodynamic forces acting on a vehicle following another one under realistic road conditions. We develop a RANS methodology to simulate accurately the physics governing the problem and devise a multifidelity methodology to approximate the problem using as few computational resources as possible. In the first part of the thesis we develop and analyse the surrogate methodology in the framework of the Smolyak approximation method. We extend the Multi-Index Stochastic Collocation (MISC) method to handle the problem in a more efficient way. This includes the possibility of constructing a single surrogate for vector-valued functions as well as the use of a parametric domain with categorical variables representing a finite number of possible leading vehicle geometries. For this, we formulate the Smolyak approximation in a more abstract way and implement it in a modular C++ code using efficient and stable numerical algorithms. We also provide some novel convergence bounds of the method and validate them with numerical examples. We also address the problem of unstability that manifests in some problems where MISC has been applied in the form of spurious oscillations. We identify the reasons of the oscillations as irregularities present in the low fidelity data and prove a theorem in the general framework of multifidelity that shows that such irregularities must be avoided to ensure convergence of the surrogate. In the second part of the thesis we study different efficient CFD methodologies to simulate accurately the flow past a vehicle in realistic road conditions. This includes the presence of cross-wind and the disturbances of the flow due to other vehicles in typical platoon and overtake manoeuvres. Finally we apply the extended MISC method to a multiparametric platoon problem to construct a surrogate of the three components of the aerodynamic force acting on a vehicle under realistic platoon conditions. |
| Description (Translated): | (Català) Considerem el problema del comboi de vehicles des d'un punt de vista aerodinàmic. Això és, el problema multiparamètric de predir les forces aerodinàmiques que actuen en un vehicle que, al seu torn, en segueix un altre. Desenvolupem una metodologia RANS per simular de forma precisa la física que governa el problema i concebem una metodologia multiparamètrica per aproximar el problema emprant tan pocs recursos computacionals com sia possible. En la primera part de la tesi desenvolupem i analitzem la metodologia del model substitut en el context del mètode d'aproximació d'Smolyak. Estenem el mètode de col·locació estocàstica multi-índex (MISC) per resoldre el problema d'una manera més eficient. Això inclou la possibilitat de construir un sol model substitut per una funció vectorial, així com l'ús d'un domini paramètric amb variables categòriques que representen un nombre finit de possibles de vehicles davanters. Per això, formulem el mètode d'aproximació d'Smolyak en una forma més abstracta i l'implementem en C++ amb un enfocament modular emprant algorismes eficients i numèricament estables. També proporcionem algunes desigualtats de convergència originals del mètode que són validades amb exemples numèrics. Encarem el problema de la inestabilitat manifestada en forma d'oscil·lacions en alguns problemes en què MISC ha estat aplicat. Identifiquem irregularitats en les dades de baixa fidelitat com el motiu d'aquestes oscil·lacions i demostrem un teorema en el context general de multifidelitat que demostra que aquestes irregularitats han d'esser evitades per tal d'assegurar la convergència del model substitut. En la segona part de la tesi estudiem diverses metodologies de dinàmica de fluids computacional (CFD) per tal de simular de manera precisa el flux al voltant d'un vehicle en condicions realistes trobades en carretera. Això inclou la presència de vent transversal, així com pertorbacions al flux provocades per la presència d'altres vehicles en maniobres típiques d'avançament i comboi. Finalment, apliquem la metodologia MISC estesa a un problema de comboi de vehicles per construir un model substitut de les tres components de la força aerodinàmica que actua en un vehicle en condicions realistes de comboi. (Español) Consideramos el problema del pelotón de vehículos des de un punto de vista aerodinámico. Es decir, el problema multiparamétrico de predecir las fuerzas aerodinámicas que actúan en un vehículo que, a su turno, sigue otro. Desarrollamos una metodología RANS para simular de forma precisa la física que gobierna el problema y concebimos una metodología multiparamétrica para aproximar el problema usando tan pocos recursos computacionales como sea posible. En la primera parte de la tesis desarollamos y analizamos la metodología del modelo substituto en el contexto del método de aproximación de Smolyak. Extendemos el método de colocación estocástica multi-índice (MISC) para resolver el problema de una manera más eficiente. Esto incluye la posibilidad de construir un solo modelo substituto para una función vectorial, así como el uso de un dominio paramétrico con variables categóricas que representan un número finito de posibles vehículos delanteros. Para esto, formulamos el método de aproximación de Smolyak en una forma más abstracta y la implementamos en C++ con un enfoque modular utilizando algoritmos eficientes y numéricamente estables. Tambien proporcionamos algunas desigualdades de convergencia originales del método que son validadas con ejemplos numéricos. Afrontamos el problema de la inestabilidad manifestada en forma de oscilaciones en algunos problemas en que MISC ha sido aplicado. Identificamos irregularidades en los datos de baja fidelidad como el motivo de estas oscilaciones y demostramos un teorema en el contexto general de multifidelidad que demuestra que estas irregularidades tienen que ser evitadas para asegurar la convergencia del modelo substituto. En la segunda parte de la tesis estudiamos varias medologías de dinámica de fluidos computacional (CFD) para simular de manera precisa el flujo alrededor de un vehículo en condiciones realistas encontradas en carretera. Esto incluye la presencia de viento transversal, así como perturbaciones en el flujo provocadas por la presencia de otros vehículos en maniobras típicas de adelantamiento y pelotón. Finalmente, aplicamos la metodología MISC extendida a un problema de pelotón de vehículos para construir un modelo substituto de los tres componentes de la fuerza aerodinámica que actúa en un vehículo en condiciones realistas de pelotón. DOCTORAT EN ENGINYERIA CIVIL (Pla 2012) |
| Document Type: | Dissertation/Thesis |
| File Description: | application/pdf |
| Language: | English |
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-449390 |
| Access URL: | http://hdl.handle.net/10803/696187 https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-449390 |
| Rights: | L'accés als continguts d'aquesta tesi queda condicionat a l'acceptació de les condicions d'ús establertes per la següent llicència Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| Accession Number: | edstdx.10803.696187 |
| Database: | TDX |
| Abstract: | (English) We consider the vehicle platoon problem from an aerodynamic point of view. That is, the multiparametric problem of predicting the aerodynamic forces acting on a vehicle following another one under realistic road conditions. We develop a RANS methodology to simulate accurately the physics governing the problem and devise a multifidelity methodology to approximate the problem using as few computational resources as possible. In the first part of the thesis we develop and analyse the surrogate methodology in the framework of the Smolyak approximation method. We extend the Multi-Index Stochastic Collocation (MISC) method to handle the problem in a more efficient way. This includes the possibility of constructing a single surrogate for vector-valued functions as well as the use of a parametric domain with categorical variables representing a finite number of possible leading vehicle geometries. For this, we formulate the Smolyak approximation in a more abstract way and implement it in a modular C++ code using efficient and stable numerical algorithms. We also provide some novel convergence bounds of the method and validate them with numerical examples. We also address the problem of unstability that manifests in some problems where MISC has been applied in the form of spurious oscillations. We identify the reasons of the oscillations as irregularities present in the low fidelity data and prove a theorem in the general framework of multifidelity that shows that such irregularities must be avoided to ensure convergence of the surrogate. In the second part of the thesis we study different efficient CFD methodologies to simulate accurately the flow past a vehicle in realistic road conditions. This includes the presence of cross-wind and the disturbances of the flow due to other vehicles in typical platoon and overtake manoeuvres. Finally we apply the extended MISC method to a multiparametric platoon problem to construct a surrogate of the three components of the aerodynamic force acting on a vehicle under realistic platoon conditions. |
|---|---|
| DOI: | 10.5821/dissertation-2117-449390 |