Fluent优化｜NACA0012翼型

本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用ANSYS伴随求解器优化NACA 0012翼型结构以提高其升力的案例。首先，通过Fluent软件启动2D、Double Precision模式，读取网格文件NACA0012.msh，并设置Pressure-Based、Steady求解器。接着，采用Standard k-epsilon湍流模型及Standard Wall Functions壁面函数，修改材料介质Air的密度和粘度，设置边界条件，初始化计算，求解计算，并保存计算结果。最后，通过Adjont求解、数值算法、共轭求解和优化设计等步骤，持续优化计算区域形貌以增大升阻比。

本案例利用ANSYS伴随求解器优化NACA 0012翼型结构以提高其升力。

1 翼型外流场计算

1.1 启动Fluent

• 以2D、Double Precision模式启动Fluent

• 利用菜单Read → Mesh读取网格文件NACA0012.msh

1.2 General设置

• Pressure-Based、Steady求解器

1.3 Models设置

• Standard k-epsilon湍流模型及Standard Wall Functions壁面函数

1.4 Materials设置

• 修改材料介质Air，设置其密度为ideal-gas，修改粘度为sutherland并采用默认参数设置

1.5 Boundary Conditions设置

• 如下图所示选择Ribbon工具按钮Separate > Faces…弹出设置对话框

• 如下图所示选择列表项farfield，点击按钮Separate分割区域

• 修改边界farfield的边界类型为pressure-inlet

注：共轭求解器目前不支持压力远场边界。

• 设置farfield边界条件，如下图所示，设置总压12783.4 Pa

• 设置边界温度为283.15 K

• 如下图所示修改边界farfield:006类型为pressure-outlet

• 设置边界温度为283.15 k，如下图所示

1.6 Operation Conditions设置

• 如图所示点击按钮Operating Conditions…弹出设置对话框

• 如下图所示，设置操作压力为73048 Pa

1.7 设置参考值

• 点击模型树节点Reference Values，右侧面板如下所示进行设置

1.8 Methods设置

• 取消激活选项Pseudo Transient

• 设置流动变量及湍流变量计算方法为Second Order Upwind

注：为精确预测阻力，至少需要采用二阶离散格式。

1.9 初始化计算

• 如下图所示进行初始化计算

1.10 求解计算

• 如下图所示设置迭代数量，并开始计算

1.11 计算结果

• 阻力监测结果

• 升力监测结果

• 速度分布

• 保存cas与dat文件

2 Adjont求解

• 点击Design标签页下按钮Observable…打开对话框

• 如下图所示，点击对话框按钮Manage…打开新的对话框

• 如图所示，新对话框中点击按钮Create…打开对话框

• 如图所示，对话框中选择选项Observable types，选择列表项force，点击OK按钮打开新的对话框

• 如图所示设置对话框参数，点击Apply按钮及OK按钮

• 相同方式创建变量force-drag

注：在所有的adjoint面板中，若同时存在Apply及OK按钮，通常需要先点击Apply按钮，再点击OK按钮。

• 创建新的观测变量ratio，如下图所示，其类型为Operation types，并设置操作方式为ratio

注：升阻比定义为升力系数与阻力系数的比值。

• 如下图所示定义分子为force-lift，分母为force-drag，点击按钮Apply及OK

• 返回至Adjoint Observables对话框，如下图所示，选择选项Maximize

• 点击按钮Evaluate可在TUI窗框中查看当前升阻比为11.48，如下图所示

3 数值算法

• 点击按钮Methods…打开设置对话框

• 如下图所示采用默认设置，点击OK按钮关闭对话框

• 点击按钮Solver Controls…弹出对话框，可设置求解控制参数，如下图所示，点击OK按钮关闭对话框

• 点击Monitors…按钮可打开残差设置对话框，如下图所示采用默认设置，点击OK按钮关闭对话框

4 共轭求解

• 点击工具栏按钮Calculate…打开计算对话框

• 点击按钮Initialize进行初始化，设置参数Number of Iterations为1000，点击按钮Calculate开始计算

计算残差如下图所示。

5 优化设计

5.1 定义目标

• 点击工具栏按钮Design Tool…打开设置对话框

• 进入Objectives标签页，如下图所示，选择列表项ratio，选择选项Target Change In Value，设置参数Target/Reference Change为10

• 激活选项As Percentage

• 点击按钮Apply

5.2 定义优化区域

• 进入Region标签页，如下图所示设置计算区域

• 打开网格显示，如下图所示蓝色 区域为优化区域

• 进入Region Conditions标签页，如图所示设置参数，点击按钮Apply

5.3 计算设计变化并更新网格

• 进入Design Change标签页，如图所示选择列表项airfoil_lower及airfoil_upper作为可变边界

• 点击按钮Calculate Design Change

此时可看到预期改变量，如图所示为1.148034。

• 点击按钮Preview…可预览变形后的网格形状，如下图所示

• 保存cas与dat文件

• 点击按钮Modify修改网格

• 重新计算流场

• 可在Adjoint Observables对话框中点击Evaluate按钮查看当前升阻比

TUI窗框中显示当前升阻比为12.5846 Pa，如下图所示。升阻比从11.48增加到12.58。

可重复以上过程，持续优化计算区域形貌以增大升阻比。