ANSYS CFD优化设计策略揭秘

一、概述

优化方法应用到工程设计中就是“优化设计”，它能够使工程设计人员从众多的设计方案中获得较为完善或者最为合理的设计方案。

二、优化设计方法

1、DesignXplorer参数优化

参数优化是最简单最直接的优化方法，在优化设计过程中将几何结构参数，工况参数，边界参数以及物性参数等作为设计变量，DesignXplorer集成在Workbench平台下的设计探索和优化工具，通过创建DOE并运行多个输入变量来研究几何、网格参数、工况或者边界条件所带来的设计影响，以及通过参数敏感性和设计空间来确定输出参数对于几何、工况、边界等参数的敏感性。

响应面　　　　　　　　　　  参数敏感性

2、Adjoint Solver伴随求解器

ANSYS Fluent中的一个形状优化专用工具：Adjoint Solver伴随矩阵求解器，扩展了传统流体求解器的分析范畴，可以为流体系统详细分析提供性能敏感性数据，用来计算一个工程数据对于所有输入的导数，这些导数(或者敏感性)可以为仿真分析：

● 从工程角度更深入的了解
● 优化系统性能
● 发现流场中由于离散误差而产生强烈影响的区域

综上所述：形状优化方法比单纯的参数优化更接近物理现实。

壁面剪切力分布 　　　　  形状敏感性 　　　　 　           垂直方向最佳位移

原始几何模型   　　　　　　　　　　　　           优化后几何模型

优化后的排气歧管进出口压力损失减少了206N，较原始设计，压损降低了12%。

3、MMO(Mesh Morpher/Optimiser)

Fluent中自带的Mesh Morpher/Optimiser优化方法是基于预定义的控制点运动，使网格能够光滑地变形。

网格变形前    　　　　　　　　　　　　网格变形后

注意以下几点：

● 变形方式需要提前定义，因此需要一定的工程经验；
● 网格变形受控制点的位移引导；
● 实现网格光滑变形；
● 控制区域限制变形范围。

定义控制区域  　　　　　　　　　　　  Optimizer控制变形

MMO优化方法基本操作流程：

● 设置CFD基本物理问题；
● 打开Mesh Morpher/Optimizer面板；
● 定义目标函数；
● 设定变形区域并通过Optimizer来控制控制点的变形；
● 求解计算获得优化后的结构设计。

４、RBF(Radial Basis Functions) Morphing

首先RBF Morphing是Fluent的一个附加模块，独立的license，RBF基于径向基函数系统，用于从源点和指定的位移列表中拟合网格运动/变形的解，这种方法对表面形状变化和体积网格平滑都是有效的。RBF问题定义又是独立于网格的，相同的设置可以应用于不同的网格，其允许用户起始时设置粗的网格来设置问题，然后再将RBF应用到高精度的网格中。

90°弯管内速度云图及轨迹线                  　 优化后的管道

三、总结

优化工具使用建议如下：