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(資料圖)

數(shù)值仿真的參數(shù)優(yōu)化

在上期文章中，我們給大家?guī)砹藱C(jī)翼多學(xué)科優(yōu)化、擬合試驗(yàn)曲線、一維CFD模型參數(shù)的DOE和回歸分析三個(gè)參數(shù)優(yōu)化案例，本期文章將繼續(xù)為各位講解多個(gè) Altair CFD 參數(shù)優(yōu)化案例，一起來看看吧。

案例：汽車排氣管形狀優(yōu)化

燃油車的尾氣排放通過三元催化轉(zhuǎn)變?yōu)闊o害的二氧化碳、水和氮?dú)狻Ｅ艢夤艿奈蓙y流動(dòng)會(huì)造成：部分廢氣未被化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生污染；氣流集中在局部加速催化劑老化；壓力損失大，汽車動(dòng)力性能下降。

優(yōu)化參數(shù)：排氣管彎頭的形狀。優(yōu)化目標(biāo)：提高彎頭氣流出口截面上的速度均勻性，降低流阻。

HyperMorph工具將彎管切割為8個(gè)截面，每個(gè)截面的控制點(diǎn)可以在流動(dòng)方向和垂直流動(dòng)方向移動(dòng)，從而產(chǎn)生8 x 2個(gè)形狀變量

采用GRSM全局響應(yīng)面法，評(píng)估50個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)，16核服務(wù)器運(yùn)算74小時(shí)。優(yōu)化后阻力降低17%，均勻性提高了3%

對(duì)比原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)：速度截面顯示速度均勻性提高；三維流線顯示原設(shè)計(jì)的彎頭內(nèi)的大旋渦明顯縮小。

原設(shè)計(jì)（左），優(yōu)化（右）

原設(shè)計(jì)（左），優(yōu)化（右）

CAD造型：原設(shè)計(jì)（左），優(yōu)化（右）

案例：汽車擾流板的渦激振動(dòng)優(yōu)化（流固耦合)

柔性擾流板位于汽車的尾跡區(qū)，當(dāng)外流場(chǎng)的激勵(lì)頻率接近柔性體的固有頻率時(shí)，會(huì)發(fā)生比較大的自激振動(dòng)現(xiàn)象。優(yōu)化參數(shù)是板的外形，HyperStudy先調(diào)用OptiStruct計(jì)算模態(tài)，再調(diào)用AcuSolve計(jì)算外流場(chǎng)。優(yōu)化后最大振幅減少60%

擾流板的振幅時(shí)間歷程

案例：電池包的溫度均勻性優(yōu)化

優(yōu)化參數(shù)：電池冷卻通道的12個(gè)外形設(shè)計(jì)變動(dòng)。優(yōu)化目標(biāo)：提高電芯的溫度均勻性。

優(yōu)化前-溫度場(chǎng)

優(yōu)化后-溫度場(chǎng)

電池包冷卻通道形狀設(shè)計(jì)變動(dòng)參數(shù)

電池包溫度場(chǎng)優(yōu)化過程

案例：發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管流阻優(yōu)化（4個(gè)入口，一個(gè)出口）

優(yōu)化參數(shù)：管路3個(gè)外形設(shè)計(jì)變動(dòng)

優(yōu)化目標(biāo)：降低流動(dòng)阻力

HyperMorph定義形狀變量

優(yōu)化前

優(yōu)化后

排氣管流阻優(yōu)化過程

案例：離心風(fēng)機(jī)的葉片優(yōu)化

出于制造成本的考慮，離心風(fēng)機(jī)的葉片采用的是二維圓弧翼型。通過修改翼型提高流量。設(shè)計(jì)約束：蝸殼不變，葉輪轉(zhuǎn)速、直徑和高度不變。

AcuSolve的四面體網(wǎng)格共570萬，優(yōu)化計(jì)算時(shí)間66小時(shí)（40CPU核），采用GRSM尋優(yōu)120次找到最優(yōu)解。

離心風(fēng)機(jī)的外形

離心風(fēng)機(jī)的外形

HyperMorph 的定義：shape1-葉片頭部，shape2-葉片中部，Shape3-葉片旋轉(zhuǎn)，Shape4-葉片拉長(zhǎng)

shape 1

shape 2

shape 3

shape 4

新的葉片頭部略伸長(zhǎng)，尾部曲率變大。優(yōu)化后風(fēng)扇的流量提高4.7%，氣動(dòng)效率提高約5%。如結(jié)合蝸殼的外形優(yōu)化，可一步提高優(yōu)化空間。

離心風(fēng)機(jī)葉片對(duì)比

案例：大巴車的風(fēng)阻優(yōu)化

更小的風(fēng)阻系數(shù)Cd有助于節(jié)油，大巴車迎風(fēng)面積很大，很難做成完全的流線型，但任然可以通過變動(dòng)車頭和車尾的造型改善風(fēng)阻。

CFD后處理顯示優(yōu)化方案減少了車頭的氣流分離和尾跡的負(fù)壓區(qū)，氣動(dòng)阻力降低了約16%。

雙層大巴車原設(shè)計(jì)

HyperMorph 的變形空間

變形后的車身

案例：船舶阻力優(yōu)化

球鼻艏（bulb bow）是船首部水面以下的球狀突出部分，其大小和形狀與船體相配合可對(duì)水的壓力起抵消作用，產(chǎn)生的船波阻較小，并可改善船體附近水流情況，以減小船的阻力。

船舶外流場(chǎng)網(wǎng)格

船舶外流場(chǎng)流線

球鼻艏的3個(gè)形狀變量：前后形狀變化，上下形狀變化，左右形狀變化

1個(gè)優(yōu)化目標(biāo)：最小化阻力

在 HyperStudy 中進(jìn)行DOE分析，Main Effects 圖顯示Shape1對(duì)阻力影響最大。

在HyperStudy中進(jìn)行響應(yīng)面擬合，再基于響應(yīng)面進(jìn)行阻力的優(yōu)化。

優(yōu)化效果：

優(yōu)化后水阻力降低4.41% ，這將轉(zhuǎn)化為船舶整個(gè)生命周期內(nèi)燃料消耗減少4.41 %（或在相同功率消耗下達(dá)到更高的速度）。

從優(yōu)化結(jié)果來看，較優(yōu)結(jié)構(gòu)趨勢(shì)為球鼻艏前伸，收縮截面

優(yōu)化前后形狀比較（綠色為原始形狀，黃色為優(yōu)化后形狀）

案例：無人機(jī)的外形優(yōu)化

優(yōu)化后Cd 減少 = 10%， Cl增加=2.9%

Morph空間

變形后的表面網(wǎng)格

本期的案例講解就到這里啦，之后我們還將帶來更多CFD參數(shù)優(yōu)化案例的講解，感興趣的朋友們歡迎持續(xù)關(guān)注 Altair 官方微信公眾號(hào)，點(diǎn)擊文末或標(biāo)題下方的CFD專欄，還可以閱讀更多往期文章，下期見~

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