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基于 OpenFOAM 的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）設(shè)計(jì)優(yōu)化 課程定位：從流動(dòng)仿真到自動(dòng)化外形與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)習(xí)收獲 借助簡(jiǎn)單流動(dòng)案例，理解基于 CFD 的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以及靈敏度優(yōu)化、外形優(yōu)化和拓?fù)?em>優(yōu)化的相關(guān)概念。 無(wú)需掌握伴隨理論前置知識(shí)，即可在 OpenFOAM v2412 中搭建基于伴隨方法的靈敏度分析流程。

因此，有必要開展進(jìn)一步的研究，以提升和優(yōu)化原位曝氣這一新型曝氣模式的性能和應(yīng)用領(lǐng)域。 在本研究中，我們開發(fā)了一個(gè)三維CFD模型，研究了MBR中的剪切應(yīng)力和液體流速，并分析了各種操作參數(shù)對(duì)MBR流體力學(xué)的影響。通過(guò)優(yōu)化膜組件配置改善了MBR的流體力學(xué)特性，并率先利用CFD模擬評(píng)估了原位曝氣。本研究對(duì)于了解MBR流體力學(xué)有重要貢獻(xiàn)，并為MBR的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有價(jià)值的參考。

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的離心式人工心臟泵葉片參數(shù)優(yōu)化[J].工具技術(shù),2021,55(10):51-57. Liu Zehui，Zhang Song，Qu Yifei.

在2021.2版本中，通用計(jì)算流體力學(xué)模塊AcuSolve 新增了CFD的拓?fù)?em>優(yōu)化功能。

本文用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）方法進(jìn)行數(shù)值模擬；根據(jù)CFD模擬出的結(jié)果，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)調(diào)整試驗(yàn)，可以快速收斂到符合實(shí)際需要的數(shù)據(jù)集合，從而可以準(zhǔn)確定位手術(shù)室空調(diào)效果差的具體原因，并高效完成潔凈空調(diào)運(yùn)行優(yōu)化的目標(biāo)。

針對(duì)參數(shù)化建模Ansys 有designmodeler, STAR-CCM+ 有3D-CAD Models, 更推薦使用STAR-CCM+,可以輕松的導(dǎo)出參數(shù)化模型為Java文件，使用宏運(yùn)行Java文件快速?gòu)?fù)用三維模型，可以配合全局參數(shù)，在設(shè)計(jì)探索功能中進(jìn)行參數(shù)化掃描進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

船型優(yōu)化過(guò)程 船型優(yōu)化過(guò)程涉及根據(jù)所需的穩(wěn)定性和效率分析船舶的運(yùn)行參數(shù)。這包括評(píng)估船體周圍的流體流動(dòng)模式和流體動(dòng)力阻力，以確定最佳船體設(shè)計(jì)特征。CFD 是通過(guò)有效模擬簡(jiǎn)化船體形狀優(yōu)化過(guò)程的有效工具。它涉及以下步驟： 創(chuàng)建船體幾何模型。 將幾何體劃分為有限的較小單元格，以便捕獲所有流動(dòng)特征。

AICFD是由天洑軟件自主研發(fā)的一款通用的智能熱流體仿真軟件，輔助工程師使用數(shù)值模型，快速、準(zhǔn)確地模擬流體流動(dòng)特征及其熱力學(xué)特性，大幅減少對(duì)物理樣機(jī)的需求，更深入地評(píng)估流體流動(dòng)和散熱性能。

利用Level-set方法可以對(duì)油箱內(nèi)的燃油晃動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，分析燃油的液面變化、晃動(dòng)頻率、流體動(dòng)力學(xué)特性等，從而為油箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化、車輛的懸掛系統(tǒng)調(diào)整以及燃油供應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制提供依據(jù)，提高車輛的行駛安全性和舒適性。

風(fēng)道流場(chǎng)中產(chǎn)生渦流或阻礙流場(chǎng)順暢流動(dòng)的結(jié)構(gòu)都需 要進(jìn)行優(yōu)化。近年來(lái)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 理論進(jìn)一步發(fā)展, 已經(jīng)成為流體機(jī)械設(shè)計(jì)初期指導(dǎo)的常用方法。通過(guò) CFD 計(jì)算能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、 降低成本, 且能夠提供全 面準(zhǔn)確的信息[3] 。在空調(diào)風(fēng)道的設(shè)計(jì)過(guò)程中, CFD 方法 的應(yīng)用可以縮短周期, 為設(shè)計(jì)方向提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

AIPOD作為一款流程自動(dòng)化的多學(xué)科優(yōu)化軟件，可以基于熱流體仿真軟件軟件的溫度場(chǎng)仿真能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子芯片散熱結(jié)構(gòu)的快速優(yōu)化，為散熱器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供新的思路和方案。

雖然流體模擬提供了評(píng)估給定形狀的空氣動(dòng)力學(xué)性能的手段，但它的計(jì)算成本阻礙了它在設(shè)計(jì)的早期探索階段的使用，在這個(gè)階段，美學(xué)是決定的。交互式系統(tǒng)可幫助設(shè)計(jì)師創(chuàng)建空氣動(dòng)力學(xué)汽車輪廓。 系統(tǒng)依賴于一個(gè)神經(jīng)代理模型來(lái)預(yù)測(cè)汽車形狀周圍的流體流動(dòng)，一旦設(shè)計(jì)師繪制出汽車輪廓，就為他們提供流體可視化和形狀優(yōu)化反 饋。

更重要的是，計(jì)算流體力學(xué)提供了廉價(jià)的模擬、設(shè)計(jì)和優(yōu)化的工具，以及提供了分析三維復(fù)雜流動(dòng)的工具。在復(fù)雜的情況下，測(cè)量往往是很困難的，甚至是不可能的，而計(jì)算流體力學(xué)則能方便的提供全部流場(chǎng)范圍的詳細(xì)信息。與試驗(yàn)相比，計(jì)算流體力學(xué)具有對(duì)于參數(shù)沒(méi)有什么限制，費(fèi)用少，流場(chǎng)無(wú)干擾的特點(diǎn)。出于計(jì)算流體力學(xué)如此的優(yōu)點(diǎn)，我們選擇它來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算。

如圖2所示，NeuroFluid包含基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流體粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型（Particle Transition Model）和由粒子驅(qū)動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)渲染器（PhysNeRF），并將二者整合到一個(gè)端到端的聯(lián)合優(yōu)化框架中。優(yōu)化過(guò)程包含三個(gè)階段：1. 模擬：粒子狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型根據(jù)初始狀態(tài)（可用立體視覺(jué)方法粗估）預(yù)測(cè)流體粒子在后續(xù)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡；2.

基于全面提升后的旋轉(zhuǎn)葉片設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化解決方案，用戶可更加方便、快捷的應(yīng)對(duì)各類旋轉(zhuǎn)葉片氣動(dòng)性能及噪聲的優(yōu)化挑戰(zhàn)。

這種類型的泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)元件將機(jī)械旋轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換為流體中的能量。為了最大限度地提高效率，減少能量損失以確保離心泵利用盡可能多的動(dòng)力至關(guān)重要。例如，由于摩擦或再循環(huán)（回流），可能會(huì)發(fā)生能量損失。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）可以以扭矩、軸向推力、壓降和域內(nèi)任何點(diǎn)的流速的形式量化性能，以確定可以優(yōu)化效率的區(qū)域。

5.根據(jù)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)模型 完成仿真后，數(shù)據(jù)會(huì)流經(jīng)各種后處理程序，根據(jù)用戶的偏好，以可視化的輪廓線、流線或條紋線來(lái)呈現(xiàn)流體流動(dòng)結(jié)果。

Simcenter STAR-CCM+ 提供了一種伴隨拓?fù)?em>優(yōu)化方法，在用戶指定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，軟件在此空間自動(dòng)尋優(yōu)，逐步去除或增加空間固體材料體積，自動(dòng)生成最佳的流道形狀。因此，在伴隨拓?fù)?em>優(yōu)化中，求解材料分布過(guò)程非常關(guān)鍵，期間將創(chuàng)建新流體域，以反映流體域相對(duì)于成本函數(shù)的最佳設(shè)計(jì)。Simcenter STAR-CCM+基于伴隨的靈敏度與水平集方程結(jié)合使用，以根據(jù)工程目標(biāo)衍生最佳材料分布。

比如我們看到手機(jī)的 “防水性能” 很好，不會(huì)想到這背后是工程師用流體力學(xué)模擬 “水在手機(jī)縫隙中的滲透路徑”；看到高鐵跑得又快又穩(wěn)，不會(huì)想到這是通過(guò)流體力學(xué)優(yōu)化 “列車外形”，減小空氣阻力。但正是這種 “低調(diào)”，讓流體力學(xué)的范疇不斷擴(kuò)大。