This thesis is concerned with the application of topology optimization in thedesign of structures that control fluids. A framework is developed in the high-order Spectral Element Method (SEM) code Nek5000, extending Nek5000 fromits original capabilities, performing Direct Numerical Simulations (DNS), toperforming density-based topology optimization. The optimization processemploys the adjoint-variable method for gradient computations and, at times, acheckpointing strategy to reduce data storage requirements.

The applicability of the SEM for topology optimization is assessed in2D, successfully applying the methodology to design a channel bend and anoscillating pump, and demonstrating strong agreement with body-fitted meshes. A nonlinear filtering strategy was used to enforce a minimum length scale andfound to be a necessary regularization constraint for meaningful pump designs.

Moving attention to laminar–turbulent transition, the framework is used tooptimize spanwise arrays of roughness elements that generate steady streaks inboundary layers to attenuate the growth of Tollmien-Schlichting (TS) waves.The optimized designs significantly dampen downstream TS wave amplitudecompared to a reference Miniature Vortex Generator (MVG) of similar size. Energy budget and local stability analyses are conducted to study the optimizeddesigns and the streaky baseflows they induce.

Topology optimization was used to design the macroscopic layout of Super-Hydrophobic Surfaces (SHSs) in channels to delay subcritical K-type transition. In a temporal setting, the optimized designs inhibit the growth of secondaryinstability modes. This methodology was extended to optimizing over anensemble of initial perturbations. In a spatial setting, the optimized surfacesexhibited an asymmetry in design between the top and bottom surfaces, breakingthe classical K-type symmetry. While this breaking of the symmetry was foundto be beneficial, the major contributing factor to the delay in transition was,again, the inhibition of the growth of secondary instability modes.

This framework was also applied to conjugate heat transfer problems. The thermal performance of a heat sink in a differentially heated cavity was alsoimproved by the application of topology optimization.

Avhandlingen behandlar topologioptimering av strukturer i syfte att påverkavätske- och luftströmmingar. Ett ramverk har utvecklats i programvaran Nek5000,som numeriskt löser Navier–Stokes ekvationer med hjälp av en högre ordningensspektralelementmetod (SEM). Ramverket utökar Nek5000 ursprungliga kapa-citet så att densitetsbaserad topologioptimering kan utföras inom ramen fördirekta numeriska simuleringar (DNS).

Användingen av SEM för topologioptimering utvärderades först i två di-mensioner med en framgångsrik tillämpning av metodiken för utformning aven oscillerande pump. Resultatet verifierades genom beräkningar med kropps-anpassade nät. En icke-linjär filtreringsstrategi användes för att upprätthållaen minimalängdskala på den optimerade geometrin, en strategi som visade sigvara nödvändig för att erhålla meningsfulla pumpkonstruktioner.

Programvaran användes sedan för att optimera uppsättningar av ytstruk-turer som genererar s.k. stråk i laminära gränsskikt. Syftet med optimeringenvar att dämpa tillväxten av Tollmien–Schlichting- (TS) vågor. De optimeradestrukturerna dämpar TS-vågamplituden avsevärt bättre än tidigare användaminiatyrvirvelgeneratorer. De optimerade strukturerna och de nya basflöden deinducerar studerdes med energibudget- och lokala stabilitetsanalys.

Topologioptimering användes också för makroskopisk utformning av super-hydrofobiska ytor i kanalströmning i syfte att fördröja laminärt till turbulentomslag. Först betraktades en liten periodisk domän, och resultaten indikeraratt de optimerade ytorna minskar tillväxten av de sekundärinstabiliteter somorsakar omslag till turbulens. Sedan utökades domänen till att studera spa-tiellt utvecklande strömning. Där visar de optimerade ytorna en strukturellasymmetri mellan topp- och bottenytor, vilket bryter den klassiska symme-trin i omslag av s.k. K-typ. Även om detta symmetribrott visade sig varafördelaktigt, är den huvudsakliga orsaken till fördröjningen av omslaget återigenen tillväxtsbegränsning av den sekundära instabiliteten.

Det utvecklade Nek5000-ramverket användes också för att optimera värme-överföringsproblem. Den termiska prestandan av en kylfläns i en differentielltuppvärmd kavitet förbättrades genom att utforma kylflänsen med användandeav topologioptimering.