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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-