Fluent算例：Adjoint Solver结构优化实战

1 Introduction

本算例提供了一个使用 adjoint solver 优化结构的流程示范。演示了如何生成流过圆柱体的灵敏度数据（sensitivity data），如何对结果进行后处理，以及如何使用数据执行多目标设计变更 （multi-objective design change），进而通过变形网格来减少阻力并增加升力。

实施步骤如下：

• 选择感兴趣的观测变量
• 访问求解器控制面板以推进伴随方程 求解
• 设置收敛准则，绘制和打印残差
• 提取伴随方程解
• 对结果进行后处理，提取灵敏度数据
• 使用设计变更工具修改结构形状，以同时减少阻力和增加升力

2 Setup and Solution

2.1 算例准备

• 下载以下算例，并解压到本地

• 使用 Fluent Launcher 启动 Fluent
• 在左上角选择列表中选择 Solution 以在 Solution Mode 中启动 Fluent
• 在 Dimension 下选择 2D
• 在 Options 下启用 Double Precision
• 启用 Display Mesh After Reading
• 加载已经计算收敛的圆柱绕流案例，加载 .cas 文件后 .dat 文件会自动加载

2.2 定义 Observables

本算例软件版本为 Ansys Fluent 2023 R1 ，定义 Observables 的步骤如下列图中所示

创建完成后将 Name 更改为：force-drag，点击 Apply 完成阻力 Observables 的设置

再次点击 Create 并重复操作后，进行升力 Observables 的设置。完成上述设置后选择 force-drag 为计算变量，可以看到变量区域自动发生了变化

2.3 计算阻力灵敏度

将变量 force-drag 的灵敏度绘图方向设置为 Minimize。变量 force-drag 的值可以在下图操作后输出到控制台

将 Adjoint Solution Controls Dialog Box 进行下图的设置

对残差监控器进行与下图中相同的设置，“伴随连续性”和“伴随速度”输入值为1e-05，“伴随局部流速”保持默认值0.001。

求解计算设置如下

2.4 后处理和导出阻力灵敏度数据

边界条件的灵敏度，可以在下图操作后输出到控制台

全局灵敏度变量查看结果如下

在计算力升观测灵敏度之前，需要定义受几何变形影响的区域，并导出 force-drag 灵敏度数据，以便稍后在多目标优化中使用

略微调整变形区域为 ±1.907349，后转到 Objectives 进行灵敏度数据输出

2.5 计算升力灵敏度

将变量 force-lift 的灵敏度绘图方向设置为 Maximize

计算步骤与2.3节中 force-drag 的计算相同

2.6 结构优化

导入 force-drag 灵敏度数据，并设定优化目标。本算例中设置升力增大100，阻力减小10%

3 计算结果

// 优化前
Observable name: force-drag
Observable Value [N]: 1271.7444

Observable name: force-lift
Observable Value [N]: 0.48792717

// 优化后
Observable name: force-drag
Observable Value [N]: 1145.2609

Observable name: force-lift
Observable Value [N]: 62.397999