CFD专栏丨 寻找最优解：参数优化案例（二）
数值仿真的参数优化
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。
案例：汽车排气管形状优化
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）
案例：汽车扰流板的涡激振动优化（流固耦合)
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
案例：电池包的温度均匀性优化
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。
优化前-温度场
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
案例：发动机排气管流阻优化（4个入口，一个出口）
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
优化前
优化后
排气管流阻优化过程
案例：离心风机的叶片优化
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 1
shape 2
shape 3
shape 4
新的叶片头部略伸长，尾部曲率变大。优化后风扇的流量提高4.7%，气动效率提高约5%。如结合蜗壳的外形优化，可一步提高优化空间。
离心风机叶片对比
案例：大巴车的风阻优化
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%。
双层大巴车原设计
HyperMorph 的变形空间
变形后的车身
案例：船舶阻力优化
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）
案例：无人机的外形优化
优化后Cd 减少 = 10%， Cl增加=2.9%
Morph空间
变形后的表面网格
