流體仿真與優化的案例
3D打印與流體仿真優化技術的結合助力螺線管設計制造
本期的增材.專欄文章完整地展示了安世亞太基于流體優化仿真技術進行螺線管優化設計的分析流程及方法（如圖1所示）。
圖1 螺線管的優化設計流程
在本文的案例中，先是基于螺線管原始設計對螺線管進行幾何建模并參數化，然后通過流體仿真軟件獲得氣流在螺線管內的流動情況，并利用參數優化軟件完成對螺線管的設計參數優化，最后通過增材制造技術生產得到優化后的螺線管。
研究對象及目標
本文以某種規格螺線管作為分析對象，其原始設計結構如圖2所示，通過流體仿真分析，獲得空氣通過螺線管后的射流速度，并通過優化螺線管的幾何結構，提高空氣入流速度以及吸沫口內外壓力差，進而提高螺線管的吸沫能力。
圖2 某規格螺線管原始設計
參數化建模
按照螺線管的原始結構所建立的流體仿真用計算域如圖3所示，并對關注的幾何特征參數進行參數化，詳情可見表3.1。幾何特征的建模及參數化可通過ANSYS DesignModeler進入到后續仿真流程中。
圖3 流體仿真所用計算域
表3.1 可進行參數化的幾何特征參數
流場分析
利用流體仿真軟件ANSYS Fluent對螺線管進行流場分析，獲得在特定邊界與材料屬性下空氣在螺線管道內的流動情況，得出管道入口的空氣進氣量和吸沫口內外壓力差，并對管道入口的空氣進氣量和吸沫口內外壓力差進行參數化，用于后續optiSLang的參數優化。
空氣在原設計螺線管內的流動情況，如圖4所示。從圖中可以看出，螺線管入口的空氣流速為485m/s，而吸沫口內外壓力差為5.255KPa。
展開 利用流體仿真優化泵的能耗
作者：Thomas Folsche，CP Pumpen AG公司技術總監，瑞士Zofingen
利用流體仿真優化泵的能耗
工廠經營者在購置泵類產品時越來越重視降低功耗，希望實現更高的效率和較低的維護成本。CP Pumpen（CP Pumps）公司位于瑞士，是業界領先的優質離心泵供應商之一，為了在競爭激烈的市場中取得優勢，該公司在工程仿真軟件方面進行了大量投資，用于提高產品的性能 。
很多年來，公司一直致力于幫助客戶改進流體處理系統的可持續性。泵運轉的能耗成本可能高達泵生命周期總成本的85%。因此，通過改善液壓性能、提升總體效率，能顯著降低泵的功耗，節約大量運行成本。
快速、低成本的開發過程
幾年前，CP Pumps 需要對原有的金屬化學磁耦合泵（MKP）產品系列進行修改。在嘗試使用公司內部的開發工具之后，設計團隊認為標準的產品開發方法耗時過長而且成本過高。初始設計方案只能通過實驗數據來比較，這需要為每種方案單獨開發原型，并在液壓測試臺中分別進行測試。在尋找替代方案過程中，公司了解到了ANSYS CFX 和ANSYS BladeModeler軟件。BladeModeler 使CP Pumps 的工程師能夠快速、方便地對葉輪的幾何外形進行建模。用戶可利用該工具設計子午線流道和葉片形狀，包括葉片厚度分布。在確定了葉片幾何外形之后，就可以利用該軟件進一步確定流道的橫截面面積，以實現對流體特征的評估。
ANSYS CFX仿真可提供輸出壓頭、功耗和效率信息；也可為設計者提供泵內部的流場視圖。
接下來，工程師在ANSYS Workbench平臺中啟動CFX 計算流體動力學（CFD）仿真分析。CFX 可以計算出完整的三維流場，其中包括流體壓力和速度，這樣可以對葉輪輸出壓頭和效率進行評估。
展開 攪拌混合CFD流體仿真優化設計
攪拌混合設備是工業生產中不可或缺的一大類工藝設備，有相對成熟的理論和設計，攪拌槳葉類型層出不窮，針對不同工藝需求又需要不同的類型規格尺寸，這樣對仿真提出了比較特殊的要求，就是建模需要參數化并可以迅速調整。
常見的通用CFD軟件提供了不同的快捷方案，比如Ansys Fluent提供了攪拌模板是從最早的mixsim演化而來，STAR-CCM+提供了mixing workflow, Comsol提供了mixer app，這三種方式都內置了一些經典樣式的攪拌槳葉和容器組合，可以快速設置進行簡單的仿真分析。
實際工作過程中，攪拌槳葉類型變化比較多，需要仿真模擬的往往是經典樣式的變形或改進或新類型，需要單獨建模，在過程中需要調整規格尺寸進行方案仿真比對。
針對參數化建模Ansys 有designmodeler, STAR-CCM+ 有3D-CAD Models, 更推薦使用STAR-CCM+,可以輕松的導出參數化模型為Java文件，使用宏運行Java文件快速復用三維模型，可以配合全局參數，在設計探索功能中進行參數化掃描進行設計優化。
展開 抽華為MATE30：Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
本期研討會：《Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹》將于11月19日 20:00-21:00舉辦。
直播主題
Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
日期/時間
2019年11月19日
20:00 – 21:00
課程受眾
ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優化模塊，根據給定的目標（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統進行智能的設計改進，得到最優解。Fluent Adjoint Solver高效流體拓撲優化可用于各行業場景相關的流體優化，如飛行器氣動外形優化、內流管路設計優化、旋轉設備效率設計優化、散熱裝置散熱特效優化等。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
展開 
【今晚】ANSYS官方Fluent直播培訓：Fluent高效智能流體優化及最佳實踐介紹
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講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
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Fluent Adjoint Solver高效智能流體優化及最佳實踐介紹
日期/時間
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ANSYS Fluent Adjoint Solver是一個高效智能流體優化模塊，根據給定的目標（氣動載荷、壓降、效率、溫度等）對流體分析系統進行智能的設計改進，得到最優解。Fluent Adjoint Solver高效流體拓撲優化可用于各行業場景相關的流體優化，如飛行器氣動外形優化、內流管路設計優化、旋轉設備效率設計優化、散熱裝置散熱特效優化等。
講師簡介
張理想
流體仿真軟件專家，對流體仿真相關軟件及多學科優化有系統性了解和研究，現任ANSYS中國流體高級工程師，負責ANSYS流體及相關軟件的售前推廣，對ANSYS流體產品、多學科優化、飛行結冰、多物理場耦合、ANSYS平臺方案等有關產品及方案應用有全面的了解和經驗。
展開 船舶計算流體力學 (CFD) - 船舶設計與優化的頂尖仿真工具（免費領文檔）
下載我們有關船舶 CFD 仿真的專題報告。
船舶行業習慣于依賴船池比例模型進行船舶性能預測。盡管這種方法仍然有用，但仿真的興起，尤其是計算流體力學 (CFD) 的興起，也帶來了以數字化方式研究船舶行為的機會。這就開創了在真實的運行條件下以全尺寸預測船舶性能的方式。在本項專題報告中，我們將展示挪威船級社 (DNV-GL) 和美國船級社 (ABS) 這樣的行業領軍企業的工程師和船舶設計師如何使用 Simcenter 軟件進行船舶 CFD。
案例研究涉及的主題包括：
流體動力學仿真
空氣動力學分析
推進系統
數值船池
自動設計探索
流體動力學仿真為船池試驗提供了備選方案
在過去的一百多年里，人們一直使用船池來確定流體動力學性能。然而，制作船池模型并進行試驗，不僅成本高昂，而且格外耗時。這就意味著，船池試驗通常在設計周期后期執行。這些試驗用于驗證和調整已經確定的設計，而不是為早期設計選項出謀劃策。
CFD 仿真為船池試驗提供了新型備選方案。工程師們可以使用數值船池的虛擬模型，以數字化方式測試船舶性能。流體動力學仿真的設置和運行快速，因此能夠更早在設計流程中部署。這樣就可以提供工程數據，用于將設計推向不同的、更好的方向，開辟船舶設計創新之路。
專題報告包含多個案例研究，展示 CFD 仿真在各種場合的應用，包括船體的流體動力學優化以及螺旋槳裝置的建模，包括預測空化現象。這些研究顯示了快速進行設計評估的優勢所在，以及船舶可用的多種多物理場模型。
了解如何進行船舶設計優化
要想在船舶能效和創新的競賽中保持領先，工程師需要能夠快速地預測出設計更改對船舶實際性能所造成的影響。設計探索軟件依據用戶定義的要求對各種變型進行快速、自動化的評估，將 CFD 仿真推向新一層級。
展開 基于計算流體動力學仿真的離心式人工心臟泵葉片參數優化
3.5 模型優化后的葉片結構參數和性能
在上述仿真實驗中，對葉片出口角度、葉片出口寬度、葉片厚度和分流葉片對離心式人工心臟泵的剪切應力分布、水力性能的影響進行了研究，得到了一組性能較好的葉片結構參數見表1。
表1 優化模型的葉片結構參數
圖10為優化后的葉輪三維模型與泵的裝配剖視圖。將優化模型與基礎模型的仿真結果進行對比可以發現，優化后模型葉輪表面的最大剪切應力為455Pa，基礎模型葉輪表面的最大剪切應力約為584.7Pa，優化后葉輪表面的最大剪切應力降低了22%。此外，優化后的葉輪揚程約為114.6mmHg，基礎模型葉輪的揚程約為119.1mmHg，兩者揚程均能滿足人工心臟泵的使用要求，且優化后的葉輪揚程更接近100mmHg，更符合設計的需求。
圖10
4 結論
本文基于計算流體動力學仿真分析，研究了不同葉片結構參數下的離心式心室輔助泵的剪切應力分布、水力性能變化，發現葉片形狀對泵的剪切應力分布、水力性能有較大影響。直葉片較后彎葉片有較大的揚程，但存在更大的剪切應力。當葉片出口角度較小時，葉片表面及泵內剪切應力較大；當葉片出口角度過大時，由于葉片前緣向前傾斜，不利于前緣處流體的運動，剪切應力反而增大。
葉片出口寬度與泵的揚程呈正相關的關系，在設計時需要配合蝸殼前后間隙綜合考慮，避免影響泵內血液流動狀態而發生溶血。葉片厚度較小時，葉片表面及泵內剪切應力較大，適當增大葉片厚度可以有效降低葉片緣剪切應力分布。
分流葉片在增加輔助泵的揚程的同時也會引起葉片表面的剪切應力增大，適用于低轉速下需要增加水力性能需求的葉輪設計。在本文研究范圍內，葉片出口角度β2=60°、葉片出口寬度b2=6mm、葉片厚度δ=2.5mm且沒有分流葉片的葉輪性能更好。
文章來源：工具技術
展開 Fluent 流體仿真快速優化方法與伴隨求導
2016年12月27日
20:00 - 21:00
注冊 ?
聯系方式：
郵箱：info-china@ansys.com
電話：4008198999
網絡研討會介紹：
FLUENT 包含了強大的優化工具，伴隨矩陣求解(Adjoint Solver)用來分析結果相對于輸入參數變化的敏感程度。該求解器基于快速網格變形（Mesh Morph）和梯度算法，可以快速對進行設計優化。提升產品性能指標。
該方法可以應用在如下領域：流體輸送管路阻力優化；高升阻比翼型設計等。
點擊上方“注冊”參加本次網絡研討會。
使用嵌入 CAD 的工程流體力學仿真 優化氣體混合過程
工程師集中精力處理其中一項設計并執行進一步優化，仿真結果表明，最終設計的壓降僅有 300 帕斯卡，這比現有的燃燒器設計減少了 900%（10 倍）。直到這一階段，Eclipse 才針對新設計建造了第一個原型。原型的性能非常接近仿真預測，這大幅降低了獲取新設計所需的時間和成本。
總之，將嵌入 CAD 的 CFD 仿真解決方案用于氣體混合產品的早期設計階段可以節省時間和成本。針對特定行業的具體需求而優化的最佳做法，可以幫助設計工程師避免分析錯誤。通過遵循特定的流程，所有工程師都可以在更改成本很低甚至無需任何成本的時候優化設計。
展開 流體仿真計算、結構強度計算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓，流體、結構類輔材供應
業務方向：流體仿真計算、結構強度計算、ANSYS有限元分析，仿真分析培訓，流體、結構類輔材供應。
聯系電話：王經理 15900979745
基于 OpenFOAM 的計算流體力學（CFD）設計優化 ￥15
基于 OpenFOAM 的計算流體力學（CFD）設計優化
課程定位：從流動仿真到自動化外形與拓撲結構設計
學習收獲
借助簡單流動案例，理解基于 CFD 的設計優化，以及靈敏度優化、外形優化和拓撲優化的相關概念。
無需掌握伴隨理論前置知識，即可在 OpenFOAM v2412 中搭建基于伴隨方法的靈敏度分析流程。
通過控制點與幾何約束條件，完成二維方柱繞流的外形優化。
針對單入口、雙出口的三維內流問題，配置基于孔隙率的拓撲優化方案。
合理設置源項耦合，實現孔隙率場與動量方程的關聯。
創建并管理單元集與單元區域，以此限定優化的有效范圍。
利用目標函數變化歷程、靈敏度數據及孔隙率演變規律，分析優化的收斂性。
通過 ParaView 閾值分析與等值面功能，實現優化后外形及拓撲結構的可視化。
識別并解決 CFD 優化流程中常見的設置錯誤與收斂性問題。
修改課程提供的演示案例，探索不同目標函數與約束條件下的優化效果。
課程介紹
發布時間：2026 年
MP4 視頻
本課程是一門側重實操的基于 OpenFOAM 的 CFD 設計優化入門課，旨在幫助學習者突破單純的流動可視化局限，掌握系統化、仿真驅動的設計改進方法。課程核心重點是講解 CFD 優化問題的搭建思路，以及各項配置選擇的內在邏輯，而非針對大規模工業級問題的求解。
本課程專為無伴隨方法前置知識的學習者設計。所有優化相關概念均從設計與工程應用的角度切入講解，清晰界定優化對象，以及 CFD 技術如何指導設計方案的優化升級。課程最大限度簡化了數學推導的復雜度，全程側重實操實現的細節要點。
展開 金屬3D打印如何優化流體歧管？
流體歧管是連接兩個或多個流體管道或通道的部件。雖然概念上很簡單，但此類部件在所屬系統中發揮著重要作用。您可以采用提高流體歧管性能的方式來提升整個系統的性能。由于存在局限性，傳統制造工藝經常無法對流體歧管進行優化。重量和體積過大、尖角、滯流區和多個易漏連接點等問題很常見。
金屬增材制造(AM)能夠以傳統制造無法實現的方法優化流體歧管。經增材制造優化后的部件采用整體設計，無需組裝操作，能夠生產有機的薄壁形狀，還減少了最終組件的重量和體積。這些優勢在半導體設備等應用中尤其有益，半導體設備的特點是在潔凈環境中封裝密實、快速運動的組件，其包含許多流體管道。增材制造組件旨在提供更好的性能，在一些應用中，測得的干擾力最高降低了90%。
由于對流體歧管傳統制造的現有設計均是針對這些工藝的局限性而打造，因此通常效率較低。出于此原因，我們建議從頭開始設計優化的增材制造歧管。不過，好消息是，通常只需要一到兩次設計迭代就可以得到可用于增材制造的歧管設計。
增材制造流體歧管的示例
增材制造流體歧管用于各個行業中所用的快速運動組件的流體連接。在這些以性能為主的環境中，增材制造優化所帶來的優勢是關鍵。增材制造可以減輕重量來獲得更好的慣性結果，消除尖角以更好地控制壓力下降和干擾，并通過最大程度減少連接點來降低泄漏風險。
推動流體歧管應用采用增材制造的關鍵因素
使用增材制造的好處通常是相互關聯的。無論項目的主要目標是什么，例如因空間有限而進行包裝，都可以通過巧妙的設計策略來實現所有這些好處，令產品的表現超越主要目標（例如，減輕重量和改善流動性）。
展開 仿真驅動的螺旋槳最優化方案
3、優化方案過程、方法
首先，采用三維軟件對螺旋槳進行參數化建模，將關鍵參數如槳距角、弦長等進行參數化；其次，將三維軟件和CFD仿真軟件進行交互，以參數化形式交換螺旋槳數據。數字化后的螺旋槳三維模型自動進行數值仿真，反饋結果后重新調整三維模型自動重建，輸入仿真軟件進行二次計算，如此迭代反復。最后，依靠遺傳算法、神經網絡等優化算法獲得最優的螺旋槳幾何參數。整個過程自動完成，來流、槳距角等關鍵參數自動尋優。
螺旋槳的三維模型參數化（動圖）
以下圖片記錄了基于CFD（計算流體力學）數值仿真技術優化螺旋槳的過程：
4、優化后結果
根據以上過程和優化方法，對某款32寸商業多旋翼用螺旋槳進行了仿真優化，最終在特定拉力下，得到了槳效率提升8.5%的效果，如下表所示。
用于優化的商業螺旋槳模型
仿真結果-翼尖渦
此外，多旋翼槳葉應用環境特殊，由于無來流，葉素工作面所處的雷諾數較低，對CFD計算的要求較高。另外，槳葉翼型仍然有優化空間，針對不同半徑位置可對翼型進一步優化以提高效率。
展開 AMESim仿真優化實例：基于AMESim的汽車制動踏板感覺仿真及優化
6 結束語
本文以某SUV 為研究對象，分析其制動系統并在AMESim上搭建了制動系統仿真模型，基于模型分析了8 個主要參數對踏板特性的影響，引入BFI 對車輛踏板感覺進行客觀評價，并進行優化，較大幅度提升了汽車制動踏板感覺。同時，建立的仿真模型還可用于分析搭載傳統制動系統的車輛在不同工況下的制動性能，研究結果也可為智能汽車ACC、AEB系統的踏板感覺特性提供參考。
下一步可以開展制動部件參數對制動踏板感覺的貢獻度研究，對各參數進行量化排列。同時，可將真空助力器換為電子助力器，開展智能汽車ACC、AEB 系統制動踏板感覺研究。
展開 