Loading...
Publication
Computational Fluid Dynamics for Synthetic Data Generation
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 14.11 MB | Adobe PDF |
Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This dissertation explores the use of computational fluid dynamics (CFD) for generating synthetic data in the context of biomimetic propulsion. It contributes directly to the SABUVIS II project, which involves a swarm of autonomous underwater vehicles designed for military and scientific applications. The study focuses on designing, simulating and evaluating bio-inspired fin propulsion systems with the aim of producing synthetic datasets for future Digital Twin integration.
The objectives of this work are to develop a parametrized fin profile that can be easily and quickly modified in terms of both shape and movement, whether its amplitude, frequency of oscillation or the type of movement, in order to create a model for simulations and data generation. This model should be capable of running di!erent simulations to generate a diverse set of results.
The methodology followed three stages. First, a bibliographic review mapped the state of research in biomimetic propulsion, synthetic data, and digital twins. Second, a CFD workflow modelled fin-driven propulsion, including fin profiling, mesh independence, domain setup, solver configuration, and UDFs for sinusoidal and turtle-inspired motions. Third, parametric simulations assessed flow velocity, thrust, hydrodynamic forces, energy use, and propulsion e"ciency under controlled conditions.
Results show both movement types generate biologically consistent thrust and flow. Sinusoidal motion produced smoother velocity fields and steadier thrust, while turtle-inspired motion yielded localized peaks suited for rapid manoeuvring. E"ciency depended on fin length, frequency, and amplitude, with a 50 cm fin at 2 Hz giving the best thrust-to-energy ratio. The datasets also support synthetic data repositories and future digital twin development of the SABUVIS propulsion subsystem.
Esta dissertação explora o uso da dinâmica de fluidos computacional (CFD) para gerar dados sintéticos no contexto da propulsão biomimética, contribuindo diretamente para o projeto SABUVIS II, que envolve um enxame de veículos subaquáticos autónomos. O estudo concentra-se no projeto, simulação e avaliação de sistemas de propulsão com barbatanas biomiméticas, com o objetivo de produzir conjuntos de dados sintéticos para futura integração com o Digital Twin. Os objetivos deste trabalho são desenvolver um perfil de barbatanas parametrizado que possa ser fácil e rapidamente modificado em termos de forma e movimento, se já a sua amplitude, frequência de oscilação ou tipo de movimento, a fim de criar um modelo para simulações e geração de dados. Este modelo deve ser capaz de executar diferentes simulações para gerar um conjunto diversificado de resultados. A metodologia seguiu três etapas. Primeiro, uma revisão bibliográfica mapeou o estado da pesquisa em propulsão biomimética, dados sintéticos e gémeos digitais. Em segundo lugar, um fluxo de trabalho CFD modelou a propulsão impulsionada por barbatanas, incluindo o seu perfil, independência da malha, configuração do domínio, configuração do solver e UDFs para diferentes movimentos. Em terceiro lugar, simulações avaliaram a velocidade do fluxo, o impulso, as forças hidrodinâmicas, o uso de energia e a eficiência da propulsão em condições controladas. Os resultados mostram que ambos os tipos de movimento geram impulso e fluxo biologicamente consistentes. O movimento sinusoidal produziu campos de velocidade mais suaves e impulso mais estável, enquanto o movimento inspirado nas tartarugas produziu picos localizados adequados para manobras. A eficiência dependia do comprimento, frequência e amplitude da barbatana, com uma barbatana de 50 cm a 2 Hz proporcionando a melhor relação impulso/energia. Os conjuntos de dados também suportam repositórios de dados sintéticos e o futuro desenvolvimento de gémeos digitais do subsistema de propulsão para o projeto SABUVIS.
Esta dissertação explora o uso da dinâmica de fluidos computacional (CFD) para gerar dados sintéticos no contexto da propulsão biomimética, contribuindo diretamente para o projeto SABUVIS II, que envolve um enxame de veículos subaquáticos autónomos. O estudo concentra-se no projeto, simulação e avaliação de sistemas de propulsão com barbatanas biomiméticas, com o objetivo de produzir conjuntos de dados sintéticos para futura integração com o Digital Twin. Os objetivos deste trabalho são desenvolver um perfil de barbatanas parametrizado que possa ser fácil e rapidamente modificado em termos de forma e movimento, se já a sua amplitude, frequência de oscilação ou tipo de movimento, a fim de criar um modelo para simulações e geração de dados. Este modelo deve ser capaz de executar diferentes simulações para gerar um conjunto diversificado de resultados. A metodologia seguiu três etapas. Primeiro, uma revisão bibliográfica mapeou o estado da pesquisa em propulsão biomimética, dados sintéticos e gémeos digitais. Em segundo lugar, um fluxo de trabalho CFD modelou a propulsão impulsionada por barbatanas, incluindo o seu perfil, independência da malha, configuração do domínio, configuração do solver e UDFs para diferentes movimentos. Em terceiro lugar, simulações avaliaram a velocidade do fluxo, o impulso, as forças hidrodinâmicas, o uso de energia e a eficiência da propulsão em condições controladas. Os resultados mostram que ambos os tipos de movimento geram impulso e fluxo biologicamente consistentes. O movimento sinusoidal produziu campos de velocidade mais suaves e impulso mais estável, enquanto o movimento inspirado nas tartarugas produziu picos localizados adequados para manobras. A eficiência dependia do comprimento, frequência e amplitude da barbatana, com uma barbatana de 50 cm a 2 Hz proporcionando a melhor relação impulso/energia. Os conjuntos de dados também suportam repositórios de dados sintéticos e o futuro desenvolvimento de gémeos digitais do subsistema de propulsão para o projeto SABUVIS.
Description
Keywords
Biomimetic UUV Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation SABUVIS Synthetic Data UUV Biomiméticos Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) Simulação, SABUVIS Dados Sintéticos