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1、圆柱结构减阻优化设计,算例来源：Fluent Tutorial培训教程,摘要,本算例使用ANSYS Fluent 19.0软件，对一2d圆柱结构进行仿真优化，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。通过仿真优化计算获得指定范围内阻力最小的情况所对应的形状,案例描述,本算例仿真的结构为以圆柱，流动为不可压缩层流，基于圆柱直径的雷诺数为40，再次雷诺数下，流动为稳态问题。本例从提供的原始几何获得当前几何下的阻力值，然后以阻力值作为目标，通过Adjoint Solver求解器优化圆柱截面形状，以搜寻到压降最小阻力的形状，从而达到优化目的,操作步骤,3.1. 导
2、入case设置与结果查看 3.1.1. 创建工作目录并启动Fluent 在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如CylinderOpt），将case文件cylinder_tutorial.cas和data文件cylinder_tutorial.dat拷贝至该目录下。启动Fluent 19.0，在Fluent Launcher中，Dimension选择2D，Display Options中勾选Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，Processing Options选择Serial，设置使用单核计算（用户可以根据现有的硬件资源和Licens
3、e授权酌情选择合适的并行数），更改Working Directory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent 19.0,操作步骤,3.1.2. 导入已有计算文件 菜单中点击【File】【Read】【Case & Data】，选取case文件cylinder_tutorial.cas，点击OK导入已有结果的计算case。此时，图形界面中可以查看导入case的网格,操作步骤,3.1.3. Models模型设置确认 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Models】，进行物理模型设置检查。 展开树中【Setup】【Models】，可以观察到Viscous选项后括号中为Laminar，
4、表示粘性计算模型使用的是层流模型，同时观察到Energy选项后括号中为Off，表明计算不涉及温度，不考虑能量方程,操作步骤,3.1.4. Materials材料设置查看 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Materials】【Fluid】【air】，进行材料物性设置的查看。 在弹出的Create/Edit Materials窗口中，查看Properties下的值为以下设置，空气流动为不可压缩流动。点击Cancel退出对话框,操作步骤,3.1.5. Cell Zone Conditions设置检查 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Cell Zone Conditions】【
5、fluid：011】，进行体网格区域条件的查看。 在Cell Zone Conditions的Task Page中Material Name为air，表明当前设置的流体材料属性air已经应用在计算域中,操作步骤,3.1.6. Boundary Conditions设置查看 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Boundary Conditions】，进行边界条件的设置查看。 3.1.6.1. 出口边界条件查看 在Boundary Conditions的Task Page中，点击Operating Conditions，参考压力为101325Pa，鼠标左键双击pressure_outle
6、t.6，在Momentum选项卡中，Gauge Pressure(pascal)值为0，表示流场出口绝对压力为一个标准大气压,操作步骤,3.1.6.2. 进口边界条件查看 在Boundary Conditions的Task Page中，鼠标左键双击inlet， 观察Velocity Magnitude值为40m/s。 3.1.7. Solution Methods求解方法设置查看 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Methods】，进行求解方法的设置。观察到Scheme设置为Coupled，Spatial Discretization下Gradient设置为Green-Gaus
7、s Cell Based，Pressure设置为Standard，Momentum设置为Second Order Upwind,操作步骤,3.1.8. 计算结果查看 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Results】【Graphics】【Contours】【vel-mag】，进行速度场的查看。在弹出的窗口中勾选Options下Draw Mesh选项，在打开的Mesh Display窗口中选择Surfaces下wall面，点击Display，关闭窗口回到Contours窗口中，点击Save/Display显示速度等值线分布,操作步骤,3.2. Adjoint Solver优化 3.2.1. 管理定义
8、监控值 在菜单栏中选择Design标签，点击Observables按钮，弹出Adjoint Observables对话框,操作步骤,点击Manage，在弹出的Manage Adjoint Observables对话框点击Create，弹出Create New Observable窗口，选择Observable types，下方选项栏中选中force，设置Name为默认名force-drag，点击OK确认选择。 回到Manage Adjoint Observables对话框，选择Force选项中Wall Zones下的wall边界，保持X Component值为1，Y Component值为0，
9、点击Apply确认,操作步骤,回到Manage Adjoint Observables对话框点击Create，弹出Create New Observable窗口，选择Observable types，下方选项栏中选中force，设置Name为默认名force-lift，点击OK确认选择。 回到Manage Adjoint Observables对话框，选择Force选项中Wall Zones下的wall边界，保持X Component值为0，Y Component值为1，点击Apply确认,操作步骤,回到Adjoint Observables窗口，Sensitivity Orientation
10、下设置为Minimize。 在Observable Names中选中force-drag，Sensitivity Orientation中选择Minimize，点击Evaluate可以预览当前case计算所得的阻力值，可以在Console界面中查看到具体的数值,操作步骤,3.2.2. 求解器设定 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Methods】，在弹出的Adjoint Solution Methods里选择默认设置，点击OK完成求解器设定。 3.2.3. 求解器控制设置 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Solver Controls】
11、，在弹出的Adjoint Solution Controls窗口中，去选Solution-Based Controls Initialization和Auto-Adjust Controls，勾选Show Advancement Controls，去选Apply Preconditioning，确认Under-Relaxation Factors下的值为默认，点击OK确认设置,操作步骤,3.2.4. 设置残差监测 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Monitors】，在弹出的Adjoint Residual Monitors窗口中确认设置为默认，点击OK确认设置。
12、3.2.5. 伴随矩阵计算 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Calculate】，在弹出的Run Adjoint Calculation窗口中点击Initialize。设置Number of Iterations为200,操作步骤,计算至28步，达到收敛目标。（具体迭代步数在不同版本，不同并行核数使用时会有略微差异,操作步骤,3.2.6. 后处理及阻力敏感度输出 3.2.6.1. 边界条件敏感度 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Reporting】，在弹出的窗口中选中inlet，点击Report按钮，在Console窗口中将显示进口边
13、界的敏感度数值,操作步骤,3.2.6.2. 动量源敏感度显示 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Results】【Graphics】【Contours】，双击Contours。在弹出的窗口中勾选Options下Draw Mesh选项，在打开的Mesh Display窗口中选择Surfaces下wall面，点击Display，关闭窗口回到Contours窗口中，选择Contours of为SensitivitiesSensitivity to Body Force X-Component(Cell Values)，点击Save/Display显示表面受到X方向力的敏感度等值线分布,操作步骤,3.2.
14、6.3. 形状敏感度显示 在最左侧的树中，鼠标左键双击【Results】【Graphics】【Vectors】，双击Vectors，在弹出的窗口中选择Vectors of为Sensitivity to Shape，设置Color by下为SensitivitiesSensitivity to Mass Sources(Cell Values)，选择Surfaces下为wall面,操作步骤,3.2.6.4. 输出阻力敏感度数据 在输出敏感度数据时，需要指定几何变形区域。 1. 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Design Tool】，在弹出的Design Tool窗
15、口中，选择Region标签栏。点击Get Bounds，选择在弹出的窗口中选择wall边界，点击OK确认,操作步骤,2. 回到Design Tool窗口点击Update Region，可以从视图窗口看到当前的变形区域,操作步骤,3. 扩大区域面积，修改X Limits和Y Limits为1.907m，点击Update Region。 4. 点击Export Sensitivities，保存名为force-drag.s的文件,操作步骤,3.2.6.5. 计算升力敏感度 在菜单栏中选择Design标签，点击Observables按钮，弹出Adjoint Observables对话框。在Observ
16、able Names中选中force-lift，Sensitivity Orientation中选择Maximize，点击Close关闭。 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Calculate】，在弹出的Run Adjoint Calculation窗口中点击Initialize。设置Number of Iterations为200。 3.2.7. 变形调整 3.2.7.1. 打开Design Tool对话框 在菜单栏Design标签下选择【Adjoint-Based】【Design Tool】，在弹出的Design Tool窗口中，选择Objective标签栏，此时，由于之前计算了force-lift，因此在Objective下出现的为force-lift,操作步骤,3.2.7.2. 载入force-drag敏感度数据 点击Manage Data，在弹出的对话框中选择Import Sensitivities，从文件夹目录下选择force-drag.s文件，点击OK导入。 3.2.7.3. 定义变量目标 1. 在Objectives标签栏中，选择force-
