【Fluent案例】10：Adjoint求解器

在Fluent中，可以利用Adjoint求解器实现壁面形状优化。本案例演示Fluent Adjoint求解器使用的基本流程。

本案例要计算的模型如下图所示，为典型的圆柱绕流问题。利用Adjoint求解器优化圆柱形状，以减小流体流经圆柱的阻力，同时增加流动升力。

计算域上壁面及下壁面均设置为对称边界，流动雷诺数约为40，采用层流计算。

• 以2D方式启动Fluent

• 选择双精度Double Precision模式

• 利用菜单File → Read → Case & Data…加载cylinder_tutorial.cas文件

采用默认设置。

默认设置。

修改Air的密度为1 kg/m3，粘度为1 kg/m-s。

• 双击模型树节点Materials > Fluid > Air弹出材料属性定义对话框

• 修改Density为1 kg/m3

• 修改Viscosity为 1 kg/m-s

• 双击模型树节点Boundary Conditions > inlet ，弹出入口边界设置对话框

• 设置Velocity Magnitude为40 m/s

• 其他参数保持默认设置，点击OK按钮关闭对话框

• 双击模型树节点Reference Values

• 右侧面板中设置Compute from为inlet

1、设置残差标准

• 双击模型树节点Monitors > Residual弹出残差检测对话框

• 设置所有残差标准为1e-5

2、设置Report Files

• 右键点击模型树节点Monitors > Report Files，选择菜单项New…，弹出报告文件定义对话框

• 定义名为cd-1-rset的report文件，如下图所示。

• 相同的方式定义另一个report file，命名为cl-1-rset

3、设置Report Plots

• 右键选中模型树节点Monitors > Report Plots，选择菜单项New…

• 创建两个plots，分布命名为cd-1-pset及cl-1-pset

定义升力和阻力。

此处内容在老版本的Fluent中，操作过程略有不同

• 右键选择模型树节点Report Definitions，选择弹出菜单New → Force Report → Drag…弹出阻力定义对话框

• 按下图所示进行设置

• 相同的方式定义升力系数监测，如下图所示。

• 右键点击模型树节点Solution > Initialization，选择菜单项Initialize进行初始化

• 双击模型树节点Run Calculation

• 设置右侧额面板中Number of Iterations为300

• 点击按钮Calculate进行计算

1、监测曲线

升力系数与阻力系数监测结果如下图所示。

2、速度分布

Adjoint求解器属于隐藏模型，需要通过TUI命令激活：

define/models/addon-module

出现如下图所示，选择Adjoint Solver。

激活Adjoint求解器后，Fluent的界面发生了改变，添加了一个Design标签页。

所谓的Observable其实就是目标物理量。

• 点击Design标签页下的Observable按钮，弹出Adjoint Observables对话框

• 点击对话框中按钮Manage…，弹出Manage Adjoint Observables对话框

• 点击按钮Create…，弹出Create New Observable对话框

• 选择对话框中的列表项force，输入名称Name为force-drag

• 点击OK按钮关闭对话框，并返回至Manage Adjoint Observables对话框

此时Manage Adjoint Observables对话框发生了改变。

• 选中wall zone下列表项wall

• 设置X Component为1， 设置Y Component为0

• 点击Apply按钮创建一个检测量

• 继续点击按钮Create…创建另一个观测量force-lift，如下图所示

• 在Manage Adjoint Observables对话框中，设置force-lift的X Component为0， 设置Y Component为1，如下图所示

• 点击OK按钮关闭对话框，返回至Adjoint Observables对话框中

• 设置force-drag下方的sensitivity Orientation为Minimize

• 点击Close按钮关闭对话框

此对话框中可以选中观测量，点击右侧按钮Evaluate在TUI窗口中显示此观测量当前值。

• 点击Design标签页下按钮Solver Controls…，弹出Adjoint Solution Controls对话框

• 取消选项Solution-Based Controls Initialization

• 激活选项Show Advancement Controls

• 激活选项Apply Preconditioning，设置参数采用默认

• 点击Close按钮关闭对话框

• 点击Design标签页下按钮Calculate…，弹出Run Adjoint Calculation对话框

• 点击对话框中按钮Initialize进行初始化

• 设置参数Number of Iterations为300

• 点击按钮Calculate进行计算

• 点击Desing标签页下按钮Reporting…，弹出Adjoint Reporting对话框

• 选择列表项inlet，点击按钮Report，在TUI窗口输出敏度信息

如下图所示，可以看到在入口速度40m/s情况下，阻力的敏度为54.5。

• 右键选中模型树节点Results > Contours，选择弹出菜单New…

• 在弹出对话框中，设置Contours of为Sensitivities…及Sensitivity to Body Force X-Component(Cell Values)

• 点击按钮Save/Display显示图像

图形如下图所示。

• 鼠标右键选择模型树节点Results > Graphics > Vectors，选择弹出菜单项New…定义新的矢量图

• 设置Vectors of为Sensitivity to Shape

• 选择surface列表框中的列表项wall

• 点击按钮Save/Display显示图像

矢量图如下图所示。

• 选择Design标签页下按钮Design Tools弹出设置对话框

• 进入对话框的Region标签页，按下图所示参数设置

• 点击按钮Update Region

• 点击按钮Export Sensitivities…，在弹出的文件保存对话框中保存敏度文件force-drag.s

• 点击Observable…按钮，进入Adjoint Observables对话框

• 选择列表项force-lift，设置其sensitivity Orientation为Maximize

• 点击Design标签页下按钮Calculate…，弹出Run Adjoint Calculation对话框

• 点击对话框中按钮Initialize进行初始化

• 设置参数Number of Iterations为300

• 点击按钮Calculate进行计算

• 进入Design Tools对话框的Objectives标签页

• 点击按钮Manage Data…，在弹出的对话框中，导入之前存储的force-drag.s文件

• 返回到Objectives标签页，设置force-drag的object为Target Change In Value

• 设置Target Change In Value为-10

• 激活选项As Percentage，点击Apply按钮

• 相同的方式，定义force-lift，如下图所示。

• 进入Region Conditions标签页

• 设置X Motion与Y Motion的Points均为30

• 点击Apply按钮

• 进入Design Change标签页

• 选择Zone To Be Modified下的列表项为wall

• 点击按钮Calculate Design Change

• 点击按钮Modify Mesh

• 双击模型树节点General

• 选择右侧面板中的Display按钮，显示网格

变形后的网格如下图所示。