CFD专栏丨 寻找最优解：参数优化案例（二）

在上期文章中，我们给大家带来了机翼多学科优化、拟合试验曲线、一维CFD模型参数的DOE和回归分析三个参数优化案例，本期文章将继续为各位讲解多个 Altair CFD 参数优化案例，一起来看看吧。

燃油车的尾气排放通过三元催化转变为无害的二氧化碳、水和氮气。排气管的紊乱流动会造成：部分废气未被化学反应，产生污染；气流集中在局部加速催化剂老化；压力损失大，汽车动力性能下降。

优化参数：排气管弯头的形状。优化目标：提高弯头气流出口截面上的速度均匀性，降低流阻。

HyperMorph工具将弯管切割为8个截面，每个截面的控制点可以在流动方向和垂直流动方向移动，从而产生8 x 2个形状变量

采用GRSM全局响应面法，评估50个设计点，16核服务器运算74小时。优化后阻力降低17%，均匀性提高了3% 

对比原设计和优化设计：速度截面显示速度均匀性提高；三维流线显示原设计的弯头内的大旋涡明显缩小。

原设计（左），优化（右）

原设计（左），优化（右）

CAD造型：原设计（左），优化（右）

柔性扰流板位于汽车的尾迹区，当外流场的激励频率接近柔性体的固有频率时，会发生比较大的自激振动现象。优化参数是板的外形，HyperStudy先调用OptiStruct计算模态，再调用AcuSolve计算外流场。优化后最大振幅减少60%

扰流板的振幅时间历程

优化参数：电池冷却通道的12个外形设计变动。优化目标：提高电芯的温度均匀性。

优化后-温度场

电池包冷却通道形状设计变动参数

电池包温度场优化过程

优化参数：管路3个外形设计变动

优化目标：降低流动阻力

HyperMorph定义形状变量

排气管流阻优化过程

出于制造成本的考虑，离心风机的叶片采用的是二维圆弧翼型。通过修改翼型提高流量。设计约束：蜗壳不变，叶轮转速、直径和高度不变。

AcuSolve的四面体网格共570万，优化计算时间66小时（40CPU核），采用GRSM寻优120次找到最优解。

离心风机的外形

离心风机的外形

HyperMorph 的定义：shape1-叶片头部，shape2-叶片中部，Shape3-叶片旋转，Shape4-叶片拉长

shape 4

离心风机叶片对比

更小的风阻系数Cd有助于节油，大巴车迎风面积很大，很难做成完全的流线型，但任然可以通过变动车头和车尾的造型改善风阻。 

CFD后处理显示优化方案减少了车头的气流分离和尾迹的负压区，气动阻力降低了约16%。

球鼻艏（bulb bow）是船首部水面以下的球状突出部分，其大小和形状与船体相配合可对水的压力起抵消作用，产生的船波阻较小，并可改善船体附近水流情况，以减小船的阻力。

船舶外流场网格

船舶外流场流线

球鼻艏的3个形状变量：前后形状变化，上下形状变化，左右形状变化 

1个优化目标：最小化阻力

在 HyperStudy 中进行DOE分析，Main Effects 图显示Shape1对阻力影响最大。

在HyperStudy中进行响应面拟合，再基于响应面进行阻力的优化。

优化效果：

• 优化后水阻力降低4.41% ，这将转化为船舶整个生命周期内燃料消耗减少4.41 %（或在相同功率消耗下达到更高的速度）。 

  
  

• 从优化结果来看，较优结构趋势为球鼻艏前伸，收缩截面 

优化前后形状比较（绿色为原始形状，黄色为优化后形状）

优化后Cd 减少 = 10%， Cl增加=2.9%

Morph空间

变形后的表面网格