流体拓扑优化问题

wuchangjian2021-11-05 14:02:58编程学习

1. 什么是流体拓扑优化

流体优化包括尺寸优化、形状优化和拓扑优化。其中,拓扑优化是一种根据给定的边界条件情况、约束条件和性能指标,在给定的区域内对最优流体域分布进行优化的数学方法。

2. 流体拓扑优化的步骤

流体拓扑优化包括一下步骤:

(1) 拓扑优化模型设置(拓扑域、自适应网格)

(2) 伴随求解器设置(目标函数)

(3) 拓扑优化求解器设置(惩罚因子、约束条件)

(4) 进行拓扑循环

(5) 输出优化结果,提取流体域,对边界网格光滑处理

(6) 重新进行流场计算验证优化结果

3. 流体拓扑优化中的问题

流体拓扑优化需要注意以下几个问题:

(1)材料比例对目标函数的影响;

流体方程是非线性、多极值点,不同优化路径会得到不一样的结果。固体比例约束给目标性能优化提供一个搜索路径,对固体比例的约束不同,计算结果不同。以下是某弯管压降优化结果随固体比例约束的变化图像。

(2)网格方面的建议

为保证表面光滑性,不宜选用自适应网格。最好选用trimmer mesh/cut cell,因为优化过程一点点去掉材料,可以确保优化后的结构表面网格尖点较少。

(3)优化后的表面处理

优化后的结构存在表面不光滑的问题。可以设置结构交界面为固定边界,其他部分进行光滑处理。

(4)复杂流动

复杂流场某一段不适合进行拓扑优化,主要原因在于:(1)伴随计算收敛性问题;(2)网格尖点处理困难;(3)trimmer mesh支持性差。

因此可以选取局部流体域单独优化,然后嫁接到原来的流场中。

4. 流体拓扑优化适用的方向

适合用于有限空间内的管路设计。

弯管优化如下:

5. 案例详细说明

本研究以某管路为例进行介绍,为提升某空气循环系统性能,减小某段管路的流动损失,使用拓扑优化方法。直接对整体流体域进行拓扑优化,计算量大,为达到优化结果。因此只选取该管路附近流体域,采用速度入口、压力出口进行局部拓扑优化。

选取该管路及前后两段流体域,提取速度入口,进行单独流场拓扑优化,拓扑域为该管路内流,拓扑目标为进出口质量流量平均压差。为了保证网格的光滑性,采用trimmer mesh进行网格划分。优化结果如下:

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