基于FLUENT在workbench平台下优化设计-优化压降及温度耗散实例

WS7-1FLUENT-DesignXplorerinANSYSWB12作业7FLUENT优化设计WS7-2TrainingManual混合容器热水进口T=400KOperatingLimitofU=1.5m/sto3.5m/s冷水进口T=300KU=0.5m/sto1.5m/s压力出口目标:在操作限制内优化进口速度，从而使出口的温度耗散最小（确保均匀的混合）和容器中的压降（从其中的一个进口到出口的压力下降）也要最小。WS7-3TrainingManual混合容器中的流动WS7-4TrainingManual在WB-12中建立问题•启动ANSYSWorkbench12•在Schematic中插入FLUENTAnalysisSystem•在“Geometry”上点击鼠标右键选择“ImportGeometry”，然后浏览选择“GeomDX.agdb”文件•在Mesh上点击鼠标右键选择“Edit”进行编辑•WBMesher在一个独立窗口中开始，此时模型已经准备好网格划分WS7-5TrainingManual网格划分和边界命名•建立三个组件：•inlethot•inletcold•pressureoutlet•划分方式：自动划分•划分细节•物理优先：CFD（计算流体力学）•求解器选择：FLUNT•相关性：0执行单元划分WS7-6TrainingManual保存项目•在Project页，在Mesh上鼠标右键选择Update•进入Project页•FileSaveAs“mixing.wbpj”•返回到MeshingModule（网格划分模块）选择路径：FileCloseMeshing退出网格划分WS7-7TrainingManual启动FLUENT•在Setup上点击鼠标右键选择Edit在一个独立性窗口中启动FLUENT软件WS7-8TrainingManualFLUENT步骤：建议把InletVelocities作为DX输入参数•材料：air（空气）•稳态，湍流，使用标准壁面函数的标准K-epsilon模型：能量模型•边界：inletcold（进冷口）选项NewInputParameter推荐速度作为一个DX输入参数。命名为velocity-1，且当前值为1.0m/s；T=300K（温度）WS7-9TrainingManualFLUENT步骤：建议把InletVelocities作为DX输入参数边界：inlethot（进热口）选项NewInputParameter推荐速度作为一个DX输入参数。命名为velocity-2，且当前值为2.5m/s；T=400K（温度）WS7-10TrainingManualFLUENT步骤边界：pressureoutlet（压力出口）WS7-11TrainingManual在FLUENTAnalysis中的DX参数•注意此时的项目页中包含了ParameterSet项，它里面包含了DM参数。WS7-12TrainingManualFLUENT求解步骤Solver（求解器）初始化：从inletcold（进冷口）计算得到WS7-13TrainingManualFLUENT求解步骤迭代次数千万别点击Calculate。将在ProjectPage（项目页）中启动FLUENT计算WS7-14TrainingManual运行FLUENT•按如下给定进口速度后启动FLUENT：•velocity-1=1.0m/s•velocity-2=2.5m/s•在Solution上点击鼠标右键选择Update运行FLUENTWS7-15TrainingManual在CFDPOST中设置输出参数•输出参数就是需要调查的响应参数：–出口处的温度耗散【最小值】–容器中的压降【最小值】•一旦求解完成，在Solution上点击鼠标右键选择Update，在独立窗口中启动CFDPOSTWS7-16TrainingManual在CFDPOST中设置输出参数•在CFDPOST中定义两个表达式，并通过点击鼠标右键选择UseasWorkbenchOutputParameter将其作为DX的输出参数。pressuredrop=ave(StaticPressure)@inlethot–ave(StaticPressure)@pressureoutletTempspread=sqrt((sum((StaticTemperature-ave(StaticTemperature)@pressureoutlet)^2)@pressureoutlet)/count()@pressureoutlet)“tempspread”定义压力出口处的温度T的标准差WS7-17TrainingManual进入ParameterSet（参数设置）双击ParameterSet进入OutlineofallParametersWS7-18TrainingManual响应面建模和优化•响应面方式：–基于输入参数数目，需要一个给定数目的解（设计点）来建立一个响应面；–一个DesignofExperiments或DOE方法决定了多少设计点和哪些设计点需要求解；–一旦所需求解完成，基于结果的响应面就能拟合出来了，并保证没有“硬”解（“hard”solution）存在。•比起为离散的参数集赋值，ResponseSurface对应输入参数给出了连续变化的输出值。WS7-19TrainingManual混合容器的参数变化•将做的混合容器的确定性分析的参数变化如下：–velocity-1:0.5m/sto1.5m/s–velocity-2:1.5m/sto3.5m/s•一般不需要指定每个参数会使用多少个点。DOE法将提供有用的点，然而，用户可以使用更多的设计点来更好地拟合响应曲面。在一个高度非线性问题中，建议按后面解释来确定设计点数。•同样，在分析结束后，能够给出对应两个输入参数（最大值和最小值之间）中任意值的输出参数的一个评估。WS7-20TrainingManual建立响应面的步骤•返回到schematicspage，从DesignExplorationToolbox中插入ResponseSurface子模块。•双击DesignofExperiments，为每个输入参数设置上下限。WS7-21TrainingManual选择输入参数边界分别设置velocity-1andvelocity-2的范围为0.5-1.5及1.5-3.5m/s点击此处WS7-22TrainingManual修改DOE方式和设计点数目•选择“DOEType”:OptimalSpace-FillingDesign•SampleType：User-DefinedSamples•NumberofSamples：18•ResponseSurfaceType：NonParametricRegressionWS7-23TrainingManual评价响应面•在DesignofExperiments点击鼠标右键选择Update–WB将启动对包含18个设计点的本例的模拟。•一旦模拟完成了，选择ResponseSurface后点击Update。WS7-24TrainingManual结果•在ResponseSurface上点击鼠标右键查看响应面的细节•在OutlineoftheResponsesurface中，可以看到ResponsePoints文件夹和它下面一个默认的Responsepoint（通常是设计空间的中心）•用如下三种方式来评价响应：–Spiderchart（蛛状图）：在一个简图上检测所有输出参数的值和变化–Localsensitivity（局部灵敏度）：检测响应点附近的每个参数的分量–Response（响应）：2D或3D图形反映了对应一个或两个输入参数的输出参数的变化WS7-25TrainingManual响应图：二维曲线•点击ResponsePoint选择Response•ChartMode（图形模式）：2D•选择合适的X，Y轴变量。【tempspread伴随inletcoldvelocity(velocity-1)的变化曲线如下一页所示。】•在“属性”窗口底部的游标可以改变图中没用到的输入参数的值。WS7-26TrainingManual响应图：二维曲线WS7-27TrainingManual响应图：曲面图•点击ResponsePoint选择Response•ChartMode（图形模式）：3D•选择合适的X，Y和Z轴变量。【在下一页中查看tempspread的变化。】•在“属性”窗口底部的游标可以改变非设计点的输入参数的值。WS7-28TrainingManual响应图：曲面图•使用鼠标键旋转或放大图形•在面上移动鼠标查看X，Y和Z的实际值WS7-29TrainingManual响应图：局部灵敏度•选择Responsepoint，然后选择“Sensitivity”图。•此图可以显示为柱状图或饼状图，它给出了对应响应点附近的输入参数的每个输出参数的局部灵敏度。WS7-30TrainingManual响应图：局部灵敏度•容器压降依赖于连个进口速度。但是进热口的速度依赖性更显著。•很明显，温度耗散主要依赖进热口速度，而进冷口速度对其没有影响（负灵敏度）。WS7-31TrainingManual目标驱动优化•DX分析结果可以按前面所示用图形显示。图形结构允许用户可视化与特定参数组合相关的变化。•为了查询最佳位置的响应面，故应用了DX中的GoalDrivenOptimization工具。•在GoalDrivenOptimizationApproach中：–指定了输入和输出参数的需求值–指定了参数的重要性顺序–生成了一组样本设计–选择了一个最合适的候选设计WS7-32TrainingManual优化：找到输入参数的最佳选择•将toolbox中的一个GoalDrivenOptimization系统拖放到responsesurface上•在GoalDrivenOptimization上点击鼠标右键选择UpdateWS7-33TrainingManual建立目标•在Optimization上点击鼠标右键选择Edit•在表格中设置优化目标：–最小化TemperatureSpread（温度耗散）并将其重要性设为“Higher”–最小化PressureDrop（压降）并将其重要性设为“Higher”–在inlethot（进热口）的速度应保持最小，最好低于1.5ms/到3.5m/s的中间值•在特性中选择“Screening”（筛选）作为1000个样本的优化处理方式WS7-34TrainingManual建立目标WS7-35TrainingManual候选设计•在schematics中选择Optimization，并点击鼠标右键选择Update，或则从项目页主菜单中选择UpdateOptimization•三个候选设计现在被标记了星号等级（星号越多越好）•在1000个样本点中，候选项A是本例中的最好选择。最小压降达到了15.406Pa而最小温度耗散达到了0.85627K。这种情况下的冷、热进口的速度分别是1.0793m/s和2.2537m/sWS7-36TrainingManual权衡图•tradeoff图（权衡图）代表了在goaldrivenoptimization（目标驱动优化）中使用的样本组•在outlineofOptimization中选择Trade-off，然后X轴设为Pressuredrop（压降）。（Y轴应该是TemperatureSpread（温度耗散））WS7-37TrainingManual权衡图•颜色显示了与既定设计目标的匹配程度，蓝的表示好，红的表示差。•图形提供了关于输出参数的大量信息，通过此图，很明显0.85K的温度耗散对应了一个15Pa的压降，但是要用一个20Pa的pressuredrop（压降）实现同样的temperaturespread（温度耗散）是不可能的。WS7-38TrainingManual检