The optimization of compressible turbulent flow is fundamental to improve the performance of turbo-machinery and fluid devices used at cutting-edge energy transition technologies such as the carbon, capture and storage industry. From the different fluid flow optimization methods, the topology optimization offers a flexibility and robustness in the design as handles different objective functions and independence on initial domains that helps to create innovative and non-intuitive domains with splitters and fluid directors. The topology optimization method is performed by changing the permeability of the domain cells through the characterization of the fluid flow through CFD modelling, which is coupled to optimization methods based on the calculation of derivatives acquisition of a Lagrange system. To guarantee a successful topology optimization stable CFD models to be employed, which for compressible turbulent flow are available at subsonic regime according to the literature review. Therefore, the current research develops the topology optimization formulation for compressible turbulent subsonic flow, which demands the use of compressibility effects, rotational influence, and turbulence phenomenon besides the acquisition of the compressible adjoint system. The methodology considers the finite volume method, and the proposed formulation establishes the minimization of the energy dissipation subjected to the compressible Favre Averaged Navier-Stokes equations, the permeability of the volume cells and a volume constraint. The acquisition of the compressible adjoint system is studied simultaneously at two different approaches: via the continuous forward system and the discrete adjointautomatic differentiator, the last adapted and coupled to finite volume method applications. Also, the influence of the integer design variables-based optimizer is included, which presents a considerable advantage over the common continuous design variables optimizers used. Finally, the optimization considering real gas modelling for compressible turbulent subsonic flow is presented, where the compressibility and temperature effects are embraced by the Peng-Robinson and the Sutherlands law. Different tests are performed in channels and rotors that validate the mentioned hypothesis in 2D and 3D domains.

A otimização do fluxo turbulento compressível é fundamental para melhorar o desempenho de turbo-máquinas e dispositivos de fluidos utilizados em tecnologias de transição energética de ponta, como a indústria de captura e armazenamento de CO2. Dos diferentes métodos de otimização de fluxo de fluido, a otimização topológica oferece flexibilidade e robustez no desenho, pois lida com diferentes funções objetivo e independência em domínios iniciais que ajudam a criar domínios inovadores e não intuitivos com splitters e direcionadores de fluidos. O método de otimização topológica é realizado alterando a permeabilidade das células do domínio através da caracterização do escoamento do fluido através da modelagem CFD, que é acoplada a métodos de otimização baseados no cálculo de aquisição de derivadas de um sistema Lagrangiano. Para garantir uma otimização topológica bem sucedida, modelos CFD estáveis a serem empregados, que para escoamento turbulento compressível estão disponíveis em regime subsônico de acordo com a revisão da literatura. Portanto, a presente pesquisa desenvolve a formulação de otimização topológica para escoamento subsônico turbulento compressível, que demanda o uso de efeitos de compressibilidade, influência rotacional e fenômeno de turbulência, além da aquisição do sistema adjunto compressível. A metodologia considera o método dos volumes finitos e a formulação proposta estabelece a minimização da dissipação de energia submetida às equações compressíveis de Favre Averaged Navier-Stokes, a permeabilidade das células de volume e uma restrição de volume. A aquisição do sistema adjunto compressível é estudada simultaneamente em duas abordagens distintas: por meio do sistema direto contínuo e do diferenciador adjunto-automático discreto, este último adaptado e acoplado a aplicações do método de volumes finitos. Além disso, a influência do otimizador baseado em variáveis de projeto inteiras está incluída, o que apresenta uma vantagem considerável sobre os otimizadores de variáveis de projeto contínuas, comumente usadas. Por fim, é apresentada a otimização considerando uma modelagem de gás real para escoamento subsônico turbulento compressível, onde os efeitos da compressibilidade e da temperatura são englobados pela lei de Peng-Robinson e pela lei de Sutherland. Diferentes testes são realizados em canais e rotores que validam a hipótese mencionada nos domínios 2D e 3D.