提升气动性能-流体拓扑优化减阻技术应用实践别错过

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导读：随着无人机技术的飞速发展，如何提升无人机的飞行性能，特别是减少飞行中的空气阻力（即减阻）成为了设计者们关注的重点。无人机机体的流体阻力不仅影响其飞行速度和续航能力，还与能源消耗和飞行稳定性密切相关。为了解决这一问题，流体拓扑优化技术作为一种前沿的设计方法，已被广泛应用于无人机机体设计中，通过优化机身形状来最大程度地减小空气阻力，提高飞行性能。

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一、什么是流体拓扑优化

流体拓扑优化是一种通过改变流体域内部结构或物质分布来优化流体流动特性，以实现特定设计目标的先进优化方法。传统的优化方法通常侧重于外形或结构的设计，而流体拓扑优化则将优化的焦点放在流体的内在结构和流动路径上，旨在通过合理的材料分布或流体域的形态调整，提升流体流动效率，减少流动中的能量损失，特别是降低阻力。其应用场景不仅限于航空航天领域，也适用于汽车、建筑等其他领域，尤其是在减阻和提高流体效率方面具有显著优势。例如COMSOL流热耦合拓扑优化-仿真提升动力电池液冷板散热性能。

流体拓扑优化的关键在于其不同于传统设计方法的创新性。传统设计方法多依赖经验和试错法，通过调整物体外形来减少阻力；而流体拓扑优化则通过数学建模和数值模拟，从根本上优化流体与物体的相互作用。特别是在无人机的设计中，流体拓扑优化能够优化机体外形、内部结构和流体流动路径，从而提升气动性能，减少能量损失。

1、流体拓扑优化的目标

流体拓扑优化的核心目标是通过调整流体域的形态、结构和流动路径，最小化阻力、优化流体的流动过程。具体来说，流体拓扑优化的目标包括：

减小流体阻力：这是航空航天领域最主要的目标之一，尤其是在无人机的设计中，减小空气阻力能够显著提升飞行器的性能。
提高流动效率：流体流动效率的提升意味着气流能够更顺畅地通过物体表面，减少湍流和能量损失，从而提升飞行器的飞行稳定性与续航能力。
优化气动性能：通过流体拓扑优化，可以改进空气动力学特性，使得物体表面能够与流体形成更合适的相互作用，提升飞行性能。

2、流体拓扑优化与传统优化的区别

传统优化：在传统的设计方法中，气动优化通常通过调整外形或翼型来减少阻力，设计者依赖现有的气动理论、风洞实验或经验法则来改进设计。优化的结果通常仅限于机体外形的改进，无法深入到流体域的内部结构层次。
流体拓扑优化：与传统方法不同，流体拓扑优化考虑了流体的流动行为和物体表面的相互作用。通过计算流体动力学（CFD）模拟，流体拓扑优化能够在物体外形的基础上，进一步对流体的流动路径和区域进行优化，探索新的流动模式，甚至能够改进机体内部的气流分布。

流体拓扑优化不仅关心物体表面的形状，还关注流体域内部的拓扑结构。因此，它能够通过改变流体区域的结构和材料分布来减小流体阻力并提升效率。

3、流体拓扑优化框架

流体拓扑优化的基本框架可以归纳为以下几个方面：

优化设计域：流体拓扑优化的第一步是确定需要优化的设计区域，即流体流动的空间。这一空间通常被称为设计域或流体域。在无人机设计中，这个域可能涉及到整个机身的外形、机翼、进气口、排气口等部分。
优化目标函数：在流体拓扑优化中，设计者会设定优化目标，常见的目标包括最小化流体阻力、最大化流体流动效率、提升稳定性等。例如，在无人机设计中，最常见的目标是通过优化机体形状来减小空气阻力，从而提高飞行速度、延长续航时间。
流体动力学建模与求解：通过计算流体动力学（CFD）模型，流体的流动行为被精确描述。CFD工具利用数值方法求解流体方程（如Navier-Stokes方程），模拟流体在设计域内的运动。这些数值模拟为拓扑优化算法提供了所需的流体力学数据。
优化算法：流体拓扑优化采用各种数学和计算算法来优化设计。常见的算法包括形状优化、密度法、水平集法等。这些算法通过不断迭代求解，调整设计域内的结构分布，以满足优化目标。
约束条件：在进行优化时，需要对设计方案施加一定的约束条件，这些约束可能包括物理约束（如结构强度、流体压力分布等）、制造约束（如材料使用、制造工艺等）以及功能约束（如飞行器的稳定性、承载能力等）。

4、流体拓扑优化的应用领域

流体拓扑优化在多个领域都取得了成功应用，尤其是在航空航天和汽车领域。以下是一些典型的应用案例：

航空航天：在航空器设计中，流体拓扑优化被广泛用于减少机翼、机身、尾翼等部位的空气阻力。通过优化气动外形，降低阻力系数，改善飞行稳定性，提升续航能力。流体拓扑优化还可以在优化飞行器形状的同时，提高结构强度和减少材料使用。
汽车行业：流体拓扑优化在汽车设计中的应用，主要用于减少空气阻力、提升燃油效率。通过优化车身外形、车轮周围的流体流动，减少风阻，帮助提高汽车的性能和经济性。
建筑与风力发电：在建筑领域，流体拓扑优化可用于改善建筑物的通风性能，减少风力负荷；在风力发电领域，通过优化风机叶片的形状，提高风能的转化效率。
3D打印与制造业：流体拓扑优化还与3D打印技术紧密结合，可以制造出更加复杂的、优化过的流体通道和流体域结构，广泛应用于航空航天、汽车以及能源领域。

二、流体拓扑优化的原理

流体拓扑优化的核心原理是通过调整设计域内的流体结构或形态，优化流体的流动路径，从而达到特定的目标函数，如减小流体阻力、提高流动效率、优化气动性能等。流体拓扑优化不仅仅涉及物体外形的改变，还包括优化流体域内部的物质分布，使得流体流动更为顺畅，减少能量损失（例如阻力、湍流等），并提高整体系统的性能。

流体拓扑优化的原理基于流体力学和优化数学的交叉领域，通过数值模拟、优化算法和物理建模等手段，持续迭代求解以找到最优设计。

1、设计域与流体域的概念

在流体拓扑优化中，首先要明确的是设计域和流体域的概念。

设计域（Design Domain）：这是定义优化区域的空间，通常指的是整个物体或系统所在的空间区域（例如无人机的机身、机翼或某个部件的区域）。设计域内的几何形状是优化的对象，通过改变其内部或表面的形态来优化流体性能。
流体域（Flow Domain）：流体域指的是流体可以自由流动的区域。对于航空器设计，流体域指的是空气在飞行器周围的流动空间。流体域可能不仅包括物体表面，还包括其周围的空气流动区域。在流体拓扑优化中，设计域内的结构分布和形状改变，会直接影响流体域的流动路径和气动性能。

流体拓扑优化的目标是在给定的设计域内，通过对流体域结构的合理分配，改变流体的运动路径和流动特性，使得流体流动更加顺畅，从而减少流动阻力、降低湍流，并提高整体系统的效率。

2、拓扑优化算法：寻找最优设计解

流体拓扑优化的核心在于利用数学优化算法，通过多次迭代调整设计域的结构或材料分布，最终找到一个最佳的设计方案。常见的优化算法包括：

密度法（Density-based Method）：密度法是一种基于分布的拓扑优化方法，通过在设计域内定义一个连续的“材料密度”场（通常介于0和1之间），在迭代过程中调整材料密度，最终形成一个优化的结构。在流体拓扑优化中，这种方法可以通过调整流体域内的密度分布，达到优化流体流动的目的。
水平集法（Level Set Method）：水平集法主要用于形状优化，特别是在形状发生变化较大的情况下。这种方法通过定义一个隐式的“水平集函数”，跟踪流体域的边界，并通过不断调整该函数来优化设计。对于流体拓扑优化而言，水平集法能够灵活地调整流体通道的形状，寻找最优的流动路径。
拓扑优化与形状优化结合：流体拓扑优化不仅关注流体域内部结构的分布，还可能涉及到物体表面形状的优化。因此，形状优化算法与拓扑优化算法的结合，能够在更高层次上解决复杂的优化问题。
全局优化算法：遗传算法、粒子群优化等全局优化算法在流体拓扑优化中也有应用。这些算法不依赖于梯度信息，通过模拟自然选择、群体行为等机制，能够在高维的设计空间中找到最优解。

3、优化过程中的迭代与收敛

流体拓扑优化是一个迭代过程，优化算法通常通过以下几个步骤进行反复计算和优化：

（1）初始设计：选择一个初始设计方案，通常是一个随机的或基于经验的初始拓扑结构。

（2）计算流体力学分析：对初始设计进行流体力学分析，使用CFD工具求解流体流动，得到速度场、压力场等信息，评估设计的流动性能。

（3）目标函数评估：根据流体力学分析结果，评估当前设计的性能，计算目标函数（如阻力、效率等）的值。

（4）优化算法迭代：根据目标函数值和优化算法规则，调整设计域的形态或结构分布，更新设计，并进行下一轮流体力学分析。

（5）收敛判断：经过多次迭代，当优化目标收敛到一个预定的阈值时，停止优化过程，得到最终的最优设计方案。

4. 约束条件：物理与制造约束

在进行流体拓扑优化时，设计者通常需要考虑一系列约束条件，以确保最终设计既符合物理要求，又可实现制造。常见的约束条件包括：

结构强度约束：确保优化后的设计在承受外部气动载荷时，能够保持足够的结构强度和稳定性。
制造约束：考虑到实际制造工艺的限制，可能需要对形状进行平滑化处理，避免产生无法制造的细小结构或复杂几何形状。
流体边界条件：流体域的边界条件（如进气口、排气口位置、流体入口速度等）也需要在优化过程中进行约束。

STAR-CCM+流体拓扑优化：跳出传统思维，突破遗传算法缺陷

5、流体拓扑优化的求解方法

流体拓扑优化的求解方法通常包括三个核心步骤：流体力学建模、优化目标和约束的定义、优化算法的应用。每个步骤都涉及复杂的数值计算和算法设计，目的是在满足物理约束和设计要求的同时，找到最优的流体域结构或形状。

在流体拓扑优化过程中，准确的流体力学建模是核心。流体的流动行为通常用流体力学方程来描述，最常见的是Navier-Stokes方程。这些方程描述了流体的速度、压力、密度等物理量如何随时间和空间变化。

Navier-Stokes方程是描述粘性流体运动的基本方程，它由质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程组成。对于不可压缩的流体，Navier-Stokes方程形式如下：

流体拓扑优化通常依赖于计算流体动力学（CFD）工具来求解Navier-Stokes方程。CFD使用数值方法（如有限元法、有限差分法或有限体积法）对流体流动进行离散化，并通过数值解法得到流动场的详细信息。

常用的CFD软件包括：

ANSYS Fluent
OpenFOAM
COMSOL Multiphysics
STAR-CCM+

这些工具通过离散化计算域并迭代求解流体动力学方程，得到流体流动的速度场、压力场和其他相关物理量。

流体拓扑优化的目标通常是通过改变设计域内流体的分布或流动路径，最小化流体的阻力、优化气动性能等。目标函数和约束条件的设计直接影响优化过程的结果。目标函数通常是基于流体力学分析结果来设定的，最常见的目标是最小化流体阻力或最大化流动效率。常见的目标函数包括：

最大化流动效率：通过优化流体域的形态，使流体的流动更加顺畅，减少湍流和能量损失。
优化气动性能：优化设计以获得更好的升力和稳定性，尤其是在航空航天应用中，通过减少尾流、避免分离流等手段提升气动性能。

优化过程通常需要考虑一系列约束条件，确保最终设计不仅满足性能要求，还要符合物理和制造可行性。常见的约束条件包括：

物理约束：确保流体流动中不产生不合理的压力峰值、速度波动等。例如，可以通过约束压力分布、流速分布等来避免过大的湍流和不稳定流动。
几何约束：设计域的几何结构需满足实际应用中的尺寸限制，确保结构不超出特定的体积或几何范围。
制造约束：考虑到实际制造过程的限制，可能需要对流体域的形态进行平滑化或避免过于复杂的几何形状。
结构约束：在一些应用中，可能需要考虑物体表面结构的强度，确保优化后的结构能够承受流体压力、气动载荷等。

三、流体拓扑优化在无人机机身减阻上的应用

流体拓扑优化（Fluid Topology Optimization, FTO）是一种基于优化理论和数值计算方法的技术，旨在通过优化流体域的形状或结构，以最大程度地提升流体流动性能。在无人机机身减阻上的应用主要聚焦于通过优化机身外形或内腔结构，以减小空气阻力、提升飞行效率和续航能力。

1、机身外形优化

无人机的机身形状直接影响气动阻力（尤其是皮肤摩擦阻力和形状阻力）。流体拓扑优化可用于优化无人机机身的外形设计，从而减少气流中的涡流和不利气动干扰，达到减阻效果。

（1）优化目标：减小整体阻力系数（drag coefficient）。

（2）优化过程：

设定初始设计：例如，给定一个初步的机身外形（如圆柱形或仿生形态）。
流场分析：通过CFD模拟，计算不同形态下的流场，分析气流与机身的相互作用。
拓扑优化：基于优化算法，改变机身形状的不同部分，寻找最优的外形，以减小流体阻力。这可能涉及局部形状的细微调整，例如前缘曲率、机身后部的收尾设计等。
多目标优化：考虑到不仅是阻力，还有结构强度、稳定性、飞行控制等方面的需求，进行多目标优化。

（3）应用效果：通过流体拓扑优化，可能将机身外形调整为更符合空气动力学的流线型结构，从而减少机身表面和空气的摩擦、提高飞行效率。

2、内腔结构优化

无人机机身的内腔设计对气流和阻力也有重要影响。内部空间（如电池仓、舱体和传感器位置等）的设计和布局直接影响流体的流动。流体拓扑优化可用于调整这些区域的气流路径，减少局部湍流或气流阻塞，进一步减小阻力。

（1）优化目标：改善流体流动，减少涡流和湍流，优化舱体气流路径。

（2）优化过程：

① 建立机身内部结构模型：包括电池、传感器、气动元件等占据的空间。

② 气流分析与评估：通过CFD模拟，分析气流在内部结构中的流动特性，识别可能导致阻力增加的区域。

③ 拓扑优化：调整机身内部各部分的结构布局或形态，优化流动通道，减小不必要的流动阻力和涡流。

（3）应用效果：优化后的内部结构可能更加紧凑，气流路径更加流畅，从而提高机身的气动性能和续航能力。

3、表面纹理和微观结构优化

除了大尺度的外形设计外，流体拓扑优化还可用于调整机身表面纹理和微观结构。例如，通过引入微观的表面纹理或仿生结构（如鲨鱼皮表面效应），可以在某些区域增强流体附着力，减少流体分离，进而降低空气阻力。

（1）优化目标：通过表面微结构设计减少流体分离和涡流，减少阻力。

（2）优化过程：

① 模拟表面流动行为：对机身表面不同区域进行CFD模拟，分析表面微结构的影响。

② 优化纹理：基于流体动力学优化算法，设计出最有利于减阻的表面结构。

（3）应用效果：采用优化后的表面纹理，可以减少因气流分离导致的涡流，从而降低空气阻力。

四、流体拓扑优化减阻技术公开课

为了帮助大家更好的理解和掌握流体拓扑优化减阻技术，12月15日20时（周日），由成都市航空航天学会主办，仿真秀承办的“2024结构优化与智能制造创新技术报告会”第二期讲座将邀请资深的航空工程师梁老师带来《参数化结构分析与优化设计关键技术解析》线上讲座。本期讲座在仿真秀官网和APP，以及成都市航空航天学会旗下的涡创平台进行同步直播，报名后支持反复回看。

以下是具体安排：

2024结构优化与智能制造（二）:无人机机体流体拓扑优化减阻技术应用实践-仿真秀直播