【年终系列EX6】基于ANSYS DX分流管结构优化

基于ANSYS DX进行分流管结构优化

1 实例说明

如图1所示模型。介质自入口以0.5m/s速度流入，从出口1和出口2流出。为满足使两个出口的流量保持一致，因此需要对结构几何参数进行优化设计。

图1几何模型

涉及到的初始尺寸参数如表所示。

表1初始几何参数

2 计算模型

本例可以采用2D模型进行计算。计算模型如图2所示。当然本例也可以采用3D模型进行计算，不过从计算精度和计算开销上来讲，采用2D模型完全能够解决问题。（只需要在reference value中设置depth即可）

图2二维几何模型

3 参数化及优化过程

进行参数化过程之前，需要确定好各几何关系间的约束关系（如平行、等长、垂直等）。同时还需要对几何尺寸进行约束，本例中需要定义的约束包括（满足建模和计算的需要）：

几何约束在DM中完成，尺寸约束在后续的DX中进行设置。

图3参数化后的尺寸

在对结构进行优化过程中，选定设计变量包括：H5、H7、H8、H9。

优化目标为：

4 计算网格设置

本例几何简单，可以直接使用multizone方法划分四边形网格，当然如果采用ICEM CFD进行更精细的网格划分自然是更好。对于网格划分方法，这里不再赘述。

本例采用2.5mm的全局尺寸进行网格生成。生成的计算网格如3所示。注意命名。

图4计算网格

5 计算设置

对于FLUENT中的设置较为简单，具体设置过程这里不赘述，仅仅列举一些需要设置的项，包括：

（1）采用稳态计算，选用2D Planar

（2）选用realizable k-e湍流模型

（3）选择工作介质为water-liquid

（4）设置入口边界类型为velocity inlet，设置速度为0.5m/s，设置湍流强度5%，湍流粘度比为5。

（5）设置出口1边界类型为pressure outlet，设置出口静压为0，设置湍流强度5%，湍流粘度比为5。

（6）出口2采用与出口1相同的设置。

（8）设置Solution Methods中的压力速度耦合方式为Coupled

（7）初始化计算。

（8）设置迭代次数200，进行计算，大约在80步左右计算收敛。

6 参数化输出设置

切换至CFD-POST中进行后处理工作，同时定义输出参数。可以先查看一下速度云图，如图5所示。

图5速度分布

统计各出入口的质量流量，如图6所示。（需要注意的是，由于在FLUENT中计算的是2D模型，导入到CFD-POST后，其默认几何厚度为1米）

图6各出入口质量流量

右键点击Expressions面板中的空白位置，在弹出的新建对话框中新建表达式DiffMassflow，如图6所示。

图7定义新的表达式

定义表达式内容如图8所示。

图8定义表达式

如图9所示，在表达式DiffMassflow上点右键，选择Use as Workbench Output Parameter，将表达式的值作为输出变量输出。

图9定义表达式为输出

同样方式定义两个出口的流量massflow1及massflow2，并作为workbench输出参数。

鼠标双击工程面板中的Parameter set，查看参数定义，其结果如图10所示。可以看到之前定义的输入参数，如H5，H7，H9，H8等，也可看到输出参数，如DiffMassflow，massflow1及massflow2等。

图10参数结果

7 定义实验

从Toolbox中选择Response Surface Optimization，拖拽其到Parameter Set，上，工程数据结构如图所示。

图11工程数据结构

鼠标双击E2单元格Design of Experiments，在弹出的如图12所示的面板中进行试验设计。

图12实验设计定义面板

（1）定义试验设计方法

点击面板中的A2单元格设置Design of Experiments，选择Design of Experiments Type为Central Composite Design，此选项为默认选项，意为采用中心复合实验设计。也可以选择其他实验设计方式。详细内容可参阅实验设计方面资料。如图13所示进行设置。