基于ANSYS DX進行分流管結構優化

1 實例說明

如圖1所示模型。介質自入口以0.5m/s速度流入，從出口1和出口2流出。為滿足使兩個出口的流量保持一致，因此需要對結構幾何參數進行優化設計。

圖1幾何模型

涉及到的初始尺寸參數如表所示。

表1初始幾何參數

2 計算模型

本例可以采用2D模型進行計算。計算模型如圖2所示。當然本例也可以采用3D模型進行計算，不過從計算精度和計算開銷上來講，采用2D模型完全能夠解決問題。（只需要在reference value中設置depth即可）

圖2二維幾何模型

3 參數化及優化過程

進行參數化過程之前，需要確定好各幾何關系間的約束關系（如平行、等長、垂直等）。同時還需要對幾何尺寸進行約束，本例中需要定義的約束包括（滿足建模和計算的需要）：

幾何約束在DM中完成，尺寸約束在后續的DX中進行設置。

圖3參數化后的尺寸

在對結構進行優化過程中，選定設計變量包括：H5、H7、H8、H9。

優化目標為：

4 計算網格設置

本例幾何簡單，可以直接使用multizone方法劃分四邊形網格，當然如果采用ICEM CFD進行更精細的網格劃分自然是更好。對于網格劃分方法，這里不再贅述。

本例采用2.5mm的全局尺寸進行網格生成。生成的計算網格如3所示。注意命名。

圖4計算網格

5 計算設置

對于FLUENT中的設置較為簡單，具體設置過程這里不贅述，僅僅列舉一些需要設置的項，包括：

（1）采用穩態計算，選用2D Planar

（2）選用realizable k-e湍流模型

（3）選擇工作介質為water-liquid

（4）設置入口邊界類型為velocity inlet，設置速度為0.5m/s，設置湍流強度5%，湍流粘度比為5。

（5）設置出口1邊界類型為pressure outlet，設置出口靜壓為0，設置湍流強度5%，湍流粘度比為5。

（6）出口2采用與出口1相同的設置。

（8）設置Solution Methods中的壓力速度耦合方式為Coupled

（7）初始化計算。

（8）設置迭代次數200，進行計算，大約在80步左右計算收斂。

6 參數化輸出設置

切換至CFD-POST中進行后處理工作，同時定義輸出參數。可以先查看一下速度云圖，如圖5所示。

圖5速度分布

統計各出入口的質量流量，如圖6所示。（需要注意的是，由于在FLUENT中計算的是2D模型，導入到CFD-POST后，其默認幾何厚度為1米）

圖6各出入口質量流量

右鍵點擊Expressions面板中的空白位置，在彈出的新建對話框中新建表達式DiffMassflow，如圖6所示。

圖7定義新的表達式

定義表達式內容如圖8所示。

圖8定義表達式

如圖9所示，在表達式DiffMassflow上點右鍵，選擇Use as Workbench Output Parameter，將表達式的值作為輸出變量輸出。

圖9定義表達式為輸出

同樣方式定義兩個出口的流量massflow1及massflow2，并作為workbench輸出參數。

鼠標雙擊工程面板中的Parameter set，查看參數定義，其結果如圖10所示。可以看到之前定義的輸入參數，如H5，H7，H9，H8等，也可看到輸出參數，如DiffMassflow，massflow1及massflow2等。

圖10參數結果

7 定義實驗

從Toolbox中選擇Response Surface Optimization，拖拽其到Parameter Set，上，工程數據結構如圖所示。

圖11工程數據結構

鼠標雙擊E2單元格Design of Experiments，在彈出的如圖12所示的面板中進行試驗設計。

圖12實驗設計定義面板

（1）定義試驗設計方法

點擊面板中的A2單元格設置Design of Experiments，選擇Design of Experiments Type為Central Composite Design，此選項為默認選項，意為采用中心復合實驗設計。也可以選擇其他實驗設計方式。詳細內容可參閱實驗設計方面資料。如圖13所示進行設置。

圖13設置試驗設計方法

（2）定義參數H5的上下限

鼠標點擊圖12所示面板中的A5單元格，在下方的數據設置框中進行參數定義。這里定義參數H5的下限為80mm，上限為150mm，如圖14所示進行定義。也可以選擇使用制造參數，如果選擇使用制造參數的話，后期優化后的參數值僅為所設置的制造參數。

圖14 H5上下限設置

同理設置H7的范圍為[15,25] ，H8范圍[60,100]，H9范圍[15,25]。

鼠標右鍵點擊A1單元格，選擇菜單Preview，則可預覽設計后的實驗。

圖15預覽實驗參數

設計的實驗安排如圖16所示，共包含25組實驗。右鍵點擊A1單元格，在彈出的上下文菜單中選擇Update進行數據更新，此時workbench開始調用FLUENT進行計算，計算時間跟實驗組數和單組實驗計算時間的乘積相關，可能會需要較長的一段時間。

圖16實驗安排

計算結果如圖17所示。

圖17計算結果

8 響應面分析

返回至工程面板界面，鼠標雙擊C3單元格Response Surface，進入響應面分析界面。如圖18所示。右鍵點擊Response Surface，選擇Update菜單進行更新。

圖18響應面操作

此時可以查看響應曲面情況，如圖19所示為DiffMassflow與H5和H7之間的響應曲面。同樣可以查看與其他變量間的響應曲面。

圖 19響應曲面

9 優化過程定義

返回至工程面板，鼠標雙擊C4單元格Optimization，進入優化定義面板，如圖20所示。

圖20優化定義

鼠標點擊A3單元格Objectives and Constraints，在右側的列表項Parameter下拉框中選擇變量P5-DiffMassflow，設置Type為Minimize?？梢詫蓚€出口的流量也添加進去，但不設置為目標變量，主要是為了觀察結果。如圖21所示。

圖21定義目標

右鍵點擊左側A2單元格Optimization，選擇菜單Update進行優化計算。

計算結果如圖22所示，軟件計算得到了3個候選結果，列舉了各結果對應的幾何參數。從圖中看出，最好的結果參數為：H5=133.84mm，H7=25mm，H9=15mm，H8=60mm，此時對應的目標值為6.7628，對應的出口1流量為5.8667kg/s，出口2流量為6.5887kg/s。

圖22計算結果

至此，本實例結束。后續工作包括幾何尺寸的圓整、代入重算等，這里不再贅述。

10 總結

利用DX進行流體優化，總體上來說思路比較簡單，難點在于參數化設計及實驗設計。實驗設計的好壞直接影響到優化結果的好壞。