在工業(yè)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)并聯(lián)式管路系統(tǒng)時(shí)，通常需要優(yōu)化支路結(jié)構(gòu)從而使各支路按目標(biāo)流量供給。本案例結(jié)合多目標(biāo)優(yōu)化軟件ISIGHT在STAR-CCM+中進(jìn)行流場(chǎng)仿真，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的流量分配。
管路系統(tǒng)為單進(jìn)單出，包括三條不同類型的支路，假設(shè)系統(tǒng)總流量為15 L/min，三條支路目標(biāo)流量都為5 L/min，確定總管路和支路連接段的管路半徑，半徑范圍限定在[1, 6] mm內(nèi)。模型見圖1。
圖1 CATIA建模
導(dǎo)入模型
打開STAR-CCM+，新建simulation，選擇Parallel on Local Host，Compute Processes設(shè)為2，點(diǎn)擊OK，保存模型為FlowMatch.sim。
Step-2：
右鍵Geometry > 3D-CAD Models > new，新建3D-CAD Model，導(dǎo)入CAD model，選擇Pipe.stp。
圖2 在3D-CAD中導(dǎo)入模型
Step-3：
選擇支路1進(jìn)出口外表面，右鍵Create Sketch > At Face Center，進(jìn)入草圖編輯界面。在草圖面上畫圓，約束半徑并定義為參數(shù)R1，連續(xù)點(diǎn)擊OK退出草圖。
圖3 創(chuàng)建草圖并定義參數(shù)
Step-4：
編輯Design Parameters > R1，單位改為mm，參數(shù)值預(yù)設(shè)為5。修改后，特征樹上出現(xiàn)感嘆號(hào)，右鍵3D-CAD Model1，選擇Update更新。
圖4 定義參數(shù)和更新模型
Step-5：
右鍵Sketch，選擇Extrude，Method選擇Up To Face，Target Face選擇管路端面，Body Interaction選擇Imprint，點(diǎn)擊OK，生成新的Part，重命名為R1。
圖5 創(chuàng)建拉伸體
Step-6：
右鍵R1 > Duplicate，點(diǎn)擊OK，生成R1 2，再右鍵R1 2 > Transform > Mirror，Normal向量設(shè)為[0, 1, 0]，將R1 2鏡像至另一側(cè)管路和支路的連接處。這樣操作的前提是兩側(cè)管路完全對(duì)稱，如果不對(duì)稱就不能用鏡像，需要逐個(gè)創(chuàng)建拉伸體。
圖6 鏡像拉伸體
Step-7：
重復(fù)步驟3-6，分別創(chuàng)建支路2和支路3的連接段管路，半徑參數(shù)和新生成的零件分別命名為R2和R3。點(diǎn)擊Close 3D-CAD。
圖7 完成所有拉伸體創(chuàng)建
Step-8：
右鍵Geometry > 3D-CAD Models，新建3D-CAD Model 2，再次導(dǎo)入Pipe.stp。
圖8 再次導(dǎo)入模型
模型處理
Step-1：
右鍵Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1 > Bodies，同時(shí)選中所有R零件，右鍵New Geometry Part，默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊OK。
右鍵Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 2 > Bodies，同時(shí)選中所有零件，右鍵New Geometry Part，默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊OK。
模型從3D-CAD Model導(dǎo)入到Parts。創(chuàng)建Geometry Scene顯示模型。
圖9 創(chuàng)建New Geometry Part
Step-2：
分別合并主路和支路，重命名為pipe和plate。
圖10 合并模型
Step-3：
合并pipe包含的surface，重命名為wall。右鍵wall > Split by Patch，選中面后點(diǎn)擊create分別定義inlet和outlet，完成后點(diǎn)擊close退出。
圖11 分割進(jìn)、出口
Step-4：
重命名plate包含的surface，分別為P1、P2、P3。
圖12 整理surface
網(wǎng)格定義
Step-1：
點(diǎn)擊Operations > New > Mesh > Automated Mesh，重命名為pipe-plate，Parts選擇pipe和plate，Enabled Meshers選擇Surface Remesher和Polyhedral Mesher。
本案例為減少網(wǎng)格數(shù)量提高計(jì)算效率，不劃分Prism Layer Mesher，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，讀者可根據(jù)具體情況決定是否勾選Prism網(wǎng)格。
圖13 網(wǎng)格類型定義
Base Size設(shè)為10 mm，Target Surface Size > Percentage of Base設(shè)為80，Minimum Surface Size > Percentage of Base設(shè)為10。
圖14 網(wǎng)格尺寸參數(shù)設(shè)置
Step-3：
同時(shí)選中Parts下的pipe和plate，右鍵選擇Assign Parts to Regions，相關(guān)設(shè)置如圖。
圖15 分配到Region
物理模型
Step-1：
點(diǎn)擊Continua > New > Physics Continuum，創(chuàng)建流體模型。
圖16 流體模型
Step-2：
點(diǎn)擊Continua > Physics 1 > Initial Conditions > Turbulence Specification，Method設(shè)為Intensity + Length Scale，Turbulence Intensity設(shè)為0.05，Turbulent Length Scale設(shè)為0.016。
圖17 調(diào)整流動(dòng)參數(shù)
網(wǎng)格劃分
Step-1：
在Operations下右鍵pipe-plate，選擇Execute，開始劃分pipe和plate的網(wǎng)格。
圖18 劃分管路和冷板網(wǎng)格
Step-2：
點(diǎn)擊Operations > New > Boolean > Imprint，全選所有Part，不勾選Perform CAD Imprint。
圖19 創(chuàng)建基于網(wǎng)格的Imprint
Step-3：
Tolerance設(shè)為1e-6，Merge/Imprint Method選擇Discrete Imprint Surfaces，右鍵Imprint選擇Execute。
圖20 執(zhí)行Imprint
Step-4：
復(fù)制pipe-plate，重命名為R，Parts選擇所有R零件。
圖21 定義連接段拉伸體網(wǎng)格
邊界條件
Step-1：
點(diǎn)擊Region > pipe > Boundaries > inlet，Type選擇Mass Flow Inlet，同理，outlet選擇Pressure outlet。
圖22 邊界類型設(shè)置
Step-2：
Mass Flow Rate設(shè)為0.24939025 kg/s，等價(jià)于15 L/min。STAR-CCM+不能直接給體積流量實(shí)在是很不方便，不知道以后更新的版本會(huì)不會(huì)增加這個(gè)功能。
圖23 定義入口流量
Report監(jiān)測(cè)量
Step-1：
右鍵Reports選擇New Report > Mass Flow，重命名為R1。同理，創(chuàng)建R2和R3。
同時(shí)選中三個(gè)Report，右鍵選擇Create Monitor and Plot from Report，選擇Single Plot。重命名新生成的plot為Mass Flow，將Plot的Title同樣改為Mass Flow。
圖24 各支路流量監(jiān)測(cè)
錄制宏
Step-1：
在菜單欄點(diǎn)擊Start Recording按鈕，開始錄制宏，宏文件命名為mf.java。
圖25 開始錄制宏
Step-2：
點(diǎn)擊Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1 > Design Parameters，依次修改R1、R2、R3對(duì)應(yīng)參數(shù)值為2，3，4。
圖26 修改連接段半徑
Step-3：
右鍵Operations > Imprint > Execute，更新特征樹上的感嘆號(hào)。
Step-4：
同時(shí)選中所有R零件，右鍵Assign Parts to Regions，創(chuàng)建新的Region，命名為R，選擇Create a Boundary for Each Part Surface。
圖27 將變徑后的連接段分配到Region
Step-5：
右鍵Operations > R > Execute，更新R零件網(wǎng)格。
Step-6：
點(diǎn)擊Stopping Criteria > Maximum Steps，設(shè)為5。
Step-7：
點(diǎn)擊Reports，R1、R2、R3對(duì)應(yīng)Parts分別選擇pipe: wall [R1/pipe]，pipe: wall [R2/pipe]，pipe: wall [R3/pipe]。
圖28 選擇監(jiān)測(cè)流量的interface面
Step-8：
初始化，提交計(jì)算，迭代5步后計(jì)算結(jié)束。
Step-9：
右鍵Plots > Mass Flow > Export，保存為mf.csv。停止宏錄制。
圖29 導(dǎo)出流量結(jié)果并停止宏錄制
Step-10：
用notepad+打開mf.java文件，可以找到R參數(shù)修改行，Maximum Step定義行，mf.csv保存定義行。
圖30 宏文件解析
Step-11：
打開mf.java，修改MaximumNumberSteps為200，保存。打開mf.csv，將迭代步調(diào)整為200，流量值任意復(fù)制即可，完成后保存csv。
圖31 修改宏文件和流量監(jiān)測(cè)csv文件
創(chuàng)建bat文件
Step-1：
@echo offcall starccm+ -locale en -load -np 2 %~dp0\FlowMatch.sim -batch mf.javaexit
保存文件，將后綴改為.bat。
圖32 批處理文件
Step-2：
將.sim，.bat，.java，.csv四個(gè)文件放在同一個(gè)文件夾內(nèi)，以備后續(xù)自動(dòng)執(zhí)行。
圖33 執(zhí)行文件
ISIGHT設(shè)置
Step-1：
打開ISIGHT程序。在Process Components選項(xiàng)卡下將Optimization拖拽至流程樹Task處，在Application Components選項(xiàng)卡下將Simcode拖拽至流程樹橫線處。
圖34 創(chuàng)建優(yōu)化流程
Step-2：
設(shè)置模型屬性，Model Name設(shè)為flowmatch，定義工作路徑至前述四個(gè)文件所在文件夾，不勾選Create sub-directories。
圖35 定義工作路徑
Step-3：
雙擊Simcode進(jìn)入設(shè)置界面，點(diǎn)擊Command > Basic，點(diǎn)擊Find Program選擇opt.bat，勾選Distribute Executable。
圖36 Simcode下的Command定義
Step-4：
點(diǎn)擊Command > Advanced，取消勾選圖中選項(xiàng)。
圖37 Advanced選項(xiàng)取消
Step-5：
點(diǎn)擊Command > Input，導(dǎo)入mf.java文件。在文本區(qū)域右鍵編輯Edit Section，在Word Separators > Other里輸入小括號(hào)。
圖38 導(dǎo)入java文件
Step-6：
依次定義R1、R2、R3為Input Parameters。
圖39 定義輸入變量
Step-7：
點(diǎn)擊Command > Output，導(dǎo)入mf.csv文件。依次將csv文件最后一行的三個(gè)流量值定義為輸出變量，分別命名為mf1、mf2、mf3。完成后點(diǎn)擊Apply，OK。
圖40 定義輸出變量
Step-8：
點(diǎn)擊流程樹上的Simcode，選擇Parameters選項(xiàng)卡，分別定義R1、R2、R3參數(shù)允許的離散值，參數(shù)范圍[1, 6]，間隔0.2。
圖41 輸入?yún)?shù)范圍定義
Step-9：
回到Sim-flow選項(xiàng)卡，雙擊Optimization1設(shè)置優(yōu)化參數(shù)。
General選項(xiàng)卡，Optimization Technique選擇Pointer，Maximum allowable job time設(shè)為12 h，Average analysis time設(shè)為2000 s。
圖42 優(yōu)化方法設(shè)置
Variables選項(xiàng)卡，全選R1、R2、R3三個(gè)參數(shù)作為優(yōu)化變量。
圖43 優(yōu)化變量定義
本案例不設(shè)置約束條件，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以將系統(tǒng)流阻作為約束條件，如pressure drop < 30 kPa。
Objectives選項(xiàng)卡，選中mf1、mf2、mf3作為優(yōu)化目標(biāo)，Direction選擇Target，Target值按總流量的1/3設(shè)置，5L/min，即0.083130083 kg/s。負(fù)號(hào)表示方向。完成后點(diǎn)擊Apply，OK。
圖44 優(yōu)化目標(biāo)定義
保存模型為flowmatch.zmf，提交計(jì)算，此時(shí)ISIGHT開始自動(dòng)調(diào)用sim文件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。
圖45 提交優(yōu)化計(jì)算
圖46 優(yōu)化結(jié)束
圖47 計(jì)算過程數(shù)據(jù)
Summary結(jié)論。優(yōu)化結(jié)果顯示，當(dāng)R1、R2、R3都為3.2 mm時(shí)，流量分配最優(yōu)，其中，支路1流量為-0.08373 kg/s（5.04 L/min），支路2流量為-0.08261 kg/s（4.97 L/min），支路3流量為-0.08308 kg/s（4.99 L/min）。
圖48 最優(yōu)結(jié)果
以上分享的是用ISIGHT這個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化平臺(tái)對(duì)復(fù)雜并聯(lián)回路的流量進(jìn)行均勻分配的方法，總體上操作比較繁瑣，任何一個(gè)小的細(xì)節(jié)有問題都可能導(dǎo)致優(yōu)化無(wú)法正常進(jìn)行。這里對(duì)ISIGHT本身沒有進(jìn)行深入的介紹，有興趣的朋友可以上百度文庫(kù)搜索相關(guān)學(xué)習(xí)資料。
實(shí)際工程問題中經(jīng)常涉及優(yōu)化，針對(duì)問題的復(fù)雜程度可以考慮手動(dòng)優(yōu)化或者自動(dòng)優(yōu)化，二者沒有絕對(duì)的優(yōu)劣，主要決定于工程人員對(duì)問題的理解程度。如果對(duì)問題本身有足夠的理解，手動(dòng)調(diào)整2-3次方案也許就解決了，但是，如果問題很復(fù)雜，不清楚變量和響應(yīng)之間的關(guān)系，那就直接交給優(yōu)化軟件幫助尋優(yōu)吧。當(dāng)然，如果變量過多，最好是先基于DOE進(jìn)行敏度分析，把關(guān)鍵參數(shù)找出來(lái)，再對(duì)關(guān)鍵參數(shù)做優(yōu)化，可以減少工作量。
此外，現(xiàn)在很多軟件中都集成了優(yōu)化方法，比如STAR-CCM+自帶的optimate功能，Amesim、Abaqus、Hyperwork等也都有自己的優(yōu)化功能。因此，如果軟件的模塊較全面，那最好是能在一個(gè)軟件里全搞定，這樣子優(yōu)化效率是最高的。
文章來(lái)源：也曾是個(gè)少年
