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Topology Optimization applied to the Impeller-Diffuser Design of Centrifugal Compressors considering 3D Domains

遠心圧縮機のインペラ・ディフューザ設計におけるトポロジー最適化：3次元領域の検討 (AI 翻訳)

Camilo andres Plata Uribe, Emílio Carlos Nelli Silva

Ibero-Latin American Congress on Computational Methods in Engineering (CILAMCE)📚 査読済 / ジャーナル2026-03-18#CCUS
DOI: 10.55592/cilamce2025.v5i.14249
原典: https://doi.org/10.55592/cilamce2025.v5i.14249

🤖 gxceed AI 要約

日本語

本研究は、遠心圧縮機のインペラとディフューザのトポロジー最適化を3次元領域で適用し、エネルギー散逸の最小化と圧力回復の最大化を多目的関数で実現する。乱流モデルと3次元効果が最適形状に大きな影響を与えることを示し、高性能CCUS圧縮機設計への指針を提供する。

English

This study applies topology optimization to impeller-diffuser design in centrifugal compressors for CCUS, using a multi-objective function to minimize energy dissipation and maximize pressure recovery. Results show that turbulence modeling and 3D effects significantly alter optimized topologies, offering insights for high-performance compressor design.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

日本はCCUSの実証と社会実装を推進しており、圧縮機効率向上はGXの鍵となる。本研究成果は、国内のCCUSコスト低減や設計最適化に示唆を与える。

In the global GX context

CCUS is recognized as a critical technology for global net-zero targets. This paper provides engineering insights into optimizing compressor efficiency, which directly impacts the energy intensity and economic viability of CCUS systems.

👥 読者別の含意

🔬研究者:Provides a novel application of topology optimization to 3D impeller-diffuser design with turbulence modeling, useful for computational design researchers.

🏢実務担当者:Offers design insights for developing more efficient centrifugal compressors used in CCUS processes.

🏛政策担当者:Highlights potential efficiency gains in CCUS, supporting technology deployment and cost reduction policies.

📄 抄録（日本語訳）

効率的な二酸化炭素圧縮は、特定の炭素回収・利用・貯留（CCUS）システムの実現可能性にとって極めて重要であり、これらのシステムは温室効果ガス排出を緩和する世界的な取り組みにおいて不可欠なツールである（IEA, 2021）。一部のCCUSプロセスでは圧縮機がエネルギー消費の大部分を占めることから（Allahyarzadeh-Bidgoli et al., 2021）、この装置の性能を向上させ得る革新的な解決策の発見は、関連性の高い工学的課題である。本研究は、遠心圧縮機におけるインペラ-ディフューザ構成にトポロジー最適化を適用し、三次元（3D）設計領域を考慮することが、得られるトポロジーと性能指標に及ぼす影響を探求することを目的とする。最適化問題は、エネルギー散逸を最小化しつつ、インペラ圧力ヘッド、ディフューザ圧力回復、および総エネルギー伝達を最大化する多目的関数を用いる。設計変数は、局所的な多孔質媒体抵抗を制御する擬似密度場として定義され、回転領域と静止領域の両方に体積制約が適用され、TOBSアルゴリズムにより二値の材料分布が強制される。流体流れはナビエ–ストークス方程式によって支配され、回転効果はMultiple Reference Frame（MRF）アプローチを用いてモデル化され、乱流はWray-Agarwalモデルで処理される。感度は、FEniCS-TopOpt-Foamライブラリを通じてOpenFOAMとFEniCS/dolfin-adjointを組み合わせた高水準離散随伴法を用いて計算される。これに応じて、結果は層流および乱流の非圧縮性定常流において、二次元（2D）および三次元（3D）の両方の設計領域で得られる。数値結果は、層流と乱流の流れ状態の比較、2Dと3Dの領域構成の比較、および多目的関数における異なる重み組み合わせの変化のために含まれる。これらの結果は、乱流モデリングと3D効果の考慮が、有意に異なる最適化トポロジーをもたらすことを強調し、高性能遠心圧縮機におけるインペラ-ディフューザ構成の設計に貴重な洞察を提供する。 参考文献： Allahyarzadeh-Bidgoli, A. et al. (2021). 「CO2注入ユニットのための多段圧縮システムの熱力学解析と最適化：NSGA-IIおよび勾配ベース法」. 国際エネルギー機関（2021）. 『Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector』.

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

📄 Abstract（原文）

Efficient carbon dioxide compression is crucial to the feasibility of certain carbon capture, utilization, and storage (CCUS) systems, which are indispensable tools in the global effort to mitigate greenhouse gas emissions (IEA, 2021). Given that compressors are responsible for the majority of energy consumption in some CCUS processes (Allahyarzadeh-Bidgoli et al., 2021), discovering innovative solutions that could enhance the performance of this devices is therefore a relevant engineering challenge. This study applies topology optimization to the impeller-diffuser configuration in centrifugal compressors, aiming to explore the impact of considering three-dimensional (3D) design domains on the resulting topologies and performance metrics. The optimization problem uses a multi-objective function to minimize energy dissipation while maximizing impeller pressure head, diffuser pressure recovery, and total energy transfer. Design variables are defined as a pseudo-density field that controls local porous media resistance, with volume constraints applied to both rotating and stationary zones and binary material distribution enforced via the TOBS algorithm. The fluid flow is governed by the Navier–Stokes equations with rotational effects modeled using the Multiple Reference Frame (MRF) approach, and turbulence is treated with the Wray-Agarwal model. Sensitivities are computed using a high-level discrete adjoint method combining OpenFOAM and FEniCS/dolfin-adjoint through the FEniCS-TopOpt-Foam library. Accordingly, results are obtained under laminar and turbulent incompressible steady-state flows in both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) design domains. Numerical results are included for comparing laminar and turbulent flow regimes, comparing 2D and 3D domain configurations, and varying different weight combinations in the multi-objective function. These results highlight how turbulence modeling and accounting for 3D effects leads to significantly different optimized topologies, offering valuable insights for the design of impeller-diffuser configuration in high-performance centrifugal compressors. References: Allahyarzadeh-Bidgoli, A. et al. (2021). “Thermodynamic analysis and optimization of a multi-stage compressionsystem for CO2 injection unit: NSGA-II and gradient-based methods”. International Energy Agency (2021). Net Zero by 2050: A Roadmap for the Global Energy Sector.

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。