摘    要   

參數(shù)變化研究對于理解基于輸入?yún)?shù)的任何產(chǎn)品的設(shè)計性能都是非常有用的。這種類型的案例研究將使用實驗設(shè)計來完成，并生成幾個設(shè)計點。傳統(tǒng)的DoE求解器將使用CAD接口處理幾何變化，使用適當?shù)墓ぞ哌M行網(wǎng)格劃分，然后求解器，最后進行后處理。如果求解器本身具有通過網(wǎng)格偏轉(zhuǎn)法和自動后處理來改變幾何變化的工作流程，那么不需要幾何變化和網(wǎng)格劃分將大大減少進行參數(shù)化研究的時間。這里用暖通空調(diào)參數(shù)化研究來展示求解器的性能和生成結(jié)果的準確性。該方法可用于利用參數(shù)變化優(yōu)化設(shè)計。本文將展示如何使用網(wǎng)格變形來移動水平和垂直葉片，以及在新產(chǎn)品開發(fā)中什么是時間軸的減少。本文采用Ansys Fluent求解器進行參數(shù)化研究。初始網(wǎng)格由Fluent網(wǎng)格提供，幾何變化在Fluent求解器中自行實現(xiàn)，求解設(shè)計點時采用手動和自動方式。Ansys Fluent求解器在求解前準備每個設(shè)計點所需的時間最短，并自動生成報告。這種方法將幫助設(shè)計師快速做出設(shè)計決策，并在更短的時間內(nèi)完成設(shè)計。

01  介   紹 

    “Time to Market”是商業(yè)成功的關(guān)鍵。所有汽車OEM每年都會推出一種或多種新產(chǎn)品，以維持行業(yè)的發(fā)展。為了實現(xiàn)這一目標，應縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。在新產(chǎn)品開發(fā)周期中，與生產(chǎn)階段相比，設(shè)計和驗證階段的時間可以減少。由于這種設(shè)計和虛擬驗證可以減少原型測試的時間，我們需要在設(shè)計和虛擬驗證階段引入新的方法，以減少整體上市時間。

      目前，由于虛擬驗證結(jié)果的準確性和增強了對實際場景的復制，大多數(shù)設(shè)計都是通過虛擬驗證完成的。然而，在最終確定設(shè)計之前，必須解決大量的DoE，以利用參數(shù)變化（包括幾何變化）確定最合適的設(shè)計。DoE運行需要更多的時間，這取決于求解器的能力和硬件可用性。本文著重介紹了如何用新的方法，特別是在CFD求解器中處理幾何變化時，進行快速DoE運行。為了驗證這一概念，選擇了汽車暖通空調(diào)的方向性研究，比較了新方法的時間減少和結(jié)果準確性。因此，總的來說，上市時間和成本都可以縮短。

02  方   法

       本工作的目的是展示一種減少DoE研究時間的方法和工作流程。

      通常，對幾何變化進行的DoE研究將從幾何變化開始，網(wǎng)格劃分，然后對所有不同的幾何變化進行重復求解。在這里，大多數(shù)時候可以手動執(zhí)行幾何變化。這也會導致大量的時間和手動錯誤。有時，在網(wǎng)格劃分階段，在修改表面保持網(wǎng)格尺寸是非常困難的，因為在以前的DP。最后，求解器必須在修改后的新DP中求解問題。為了避免這些問題，我們提出了一種方法，可以根據(jù)先前的DP運行后的幾何變化自動改變或變形或偏轉(zhuǎn)求解器本身的網(wǎng)格。使用參數(shù)化DoE方法進行幾何變化的汽車HVAC性能研究。這可以通過求解器本身提供的網(wǎng)格變形方法來實現(xiàn)。

      使用Ansys Fluent求解器進行參數(shù)化研究，無需任何額外工具，使用參數(shù)化&探索方法。使用Fluent網(wǎng)格劃分工作流程生成多邊形網(wǎng)格。使用網(wǎng)格變形技術(shù)在求解器中創(chuàng)建幾何變化，下面將簡要討論。采用幾何變異Fluent求解器進行DoE研究。不同的技術(shù)也注意到大撓度時網(wǎng)格質(zhì)量的惡化。所有設(shè)計點均自動解決，無需任何人工干預。報告也會以規(guī)定的格式自動為所有dp生成?？偟膩碚f，對所有參數(shù)變異研究采用這種方法是省時的。

03  工作流程  

      通常，具有幾何變化的DoE研究的工作流程在每個設(shè)計點的計算中都具有幾何變化的循環(huán)和網(wǎng)格化。有時，手工的幾何變化需要花費更多的時間，并包含錯誤，導致長時間和錯誤的研究。

圖1  工作流程圖

      為了消除這種情況，美國能源部研究中的那些步驟也應該被取消。在新方法中，利用網(wǎng)格變形技術(shù)在求解器本身中處理幾何變化。

DOE研究

      為了驗證網(wǎng)格變形技術(shù)在DoE研究中的應用，采用了汽車暖通空調(diào)的方向性研究。在本研究中，暖通風管出口葉片分別為水平方向和垂直方向，將氣流導向所需方向。這些葉片在汽車客艙內(nèi)的氣流分布和熱舒適性方面起著重要的作用。有時，為了吸引顧客，它應該看起來很美觀?；谝陨蟽蓚€方面，設(shè)計師必須實現(xiàn)性能更好、外觀時尚的設(shè)計。因此，設(shè)計師必須用不同的葉片旋轉(zhuǎn)角度來驗證設(shè)計。水平葉片旋轉(zhuǎn)±15度，垂直葉片旋轉(zhuǎn)±20度。在給定的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，選擇不同的設(shè)計點進行求解。這些設(shè)計點可以手動選擇，也可以使用Ansys Fluent中的Auto選項中的采樣技術(shù)。

      輸入?yún)?shù)為水平葉片偏轉(zhuǎn)角和垂直葉片偏轉(zhuǎn)角，輸出參數(shù)為內(nèi)平面測量的機頭平均速度。但是，在開始DoE研究之前，應在指定的地塊、監(jiān)測點和所需的結(jié)果上進行基線模擬，以便在指定的地塊上激活自動生成報告。

圖2  汽車艙室暖通空調(diào)研究計算域

      網(wǎng)格變形是通過改變初始網(wǎng)格來表示流域變化的方法。當網(wǎng)格變形時，節(jié)點和頂點被移動到不同的方向以進行所需的更改。網(wǎng)格變形意味著對幾何變化的適應。Ansys Fluent采用自由變形技術(shù)。當網(wǎng)格變形時，網(wǎng)格質(zhì)量會降低，但可以通過兩種方式來避免，一種是通過平滑網(wǎng)格，另一種是通過多個較小的步驟來實現(xiàn)所需的變形，這樣，每個小的變形通過平滑得到高質(zhì)量的網(wǎng)格。在網(wǎng)格變形過程中有可能得到負體積單元和質(zhì)量較差的網(wǎng)格，可以使用Ansys Fluent中提供的網(wǎng)格修復方法和網(wǎng)格質(zhì)量改進方法進行校正。

圖3   顯示網(wǎng)格變形的葉片方向與切面位置

圖4   葉片分別旋轉(zhuǎn)15度和20度變形后的葉片方向和網(wǎng)格變形

     這是在Ansys Fluent中定義幾何變化的方法。這里，在本研究中，對于暖通空調(diào)的方向性研究，葉片是時鐘和逆時針旋轉(zhuǎn)的。這里，幾何變化是旋轉(zhuǎn)。對于每個葉片，需要分別定義其旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向。但是旋轉(zhuǎn)角度可以定義為輸入?yún)?shù)，如水平葉片偏轉(zhuǎn)角和垂直葉片偏轉(zhuǎn)角，可以使用Ansys Fluent中的表達式。為此，對輸入?yún)?shù)、水平葉片和垂直葉片的偏轉(zhuǎn)角變化進行了DoE研究。同樣的，還有其他的幾何變化，比如平移，縮放，規(guī)定的運動，除了這些變化，還有一個選項來設(shè)置約束，比如固定的表面。一旦參數(shù)變化的所有設(shè)置完成，它可以用于參數(shù)研究。一旦參數(shù)化研究完成，所需的設(shè)計點幾何變化可以導出為STL曲面，以再現(xiàn)幾何形狀。

   04  驗    證   

圖5   不同設(shè)計點葉片引導的暖通風管出風流線圖

05 局限性與優(yōu)勢

      它們有優(yōu)點也有一定的局限性，較大角度的偏轉(zhuǎn)會導致質(zhì)量較差的單元最終出現(xiàn)CFD運行的發(fā)散。這種現(xiàn)象是在固定結(jié)構(gòu)的相鄰元件接近時觀察到的。使用較小的偏轉(zhuǎn)多步幫助達到某種程度，它可以達到14度而沒有任何收斂問題，水平角可以偏轉(zhuǎn)高達8度與一步偏轉(zhuǎn)。此外，非常精細的棱鏡單元在進行網(wǎng)格變形時，即使在較小的角度也可能會出現(xiàn)問題。

      這項研究的主要優(yōu)點是時間，與傳統(tǒng)研究相比，節(jié)省了多少時間是這項研究的主要優(yōu)點。在傳統(tǒng)的研究中，每個DP的幾何變化平均需要26分鐘才能完成，根據(jù)元素數(shù)量的不同，網(wǎng)格劃分需要60分鐘到160分鐘，如果將所有設(shè)計點累加起來，即使完成DoE研究也需要一周的時間，但這一時間在網(wǎng)格變形技術(shù)中被消除了。即使采用工藝集成工具實現(xiàn)自動化，嚙合時間也會更長，但這不是網(wǎng)格變形的情況。

 06  結(jié)   論  

在這項工作中，證明了網(wǎng)格變形技術(shù)在節(jié)省參數(shù)化研究時間方面非常有幫助，與傳統(tǒng)方法相比，幾何變化幾乎可以節(jié)省20% -50%的時間。并對結(jié)果進行了比較，結(jié)果符合±3%的可接受限值。

這項研究必須擴展，以了解不同系統(tǒng)和產(chǎn)品性能的影響。還有另一種選擇的RBF變形網(wǎng)格變形，必須研究與相同的案例研究，特別是網(wǎng)格變形后的質(zhì)量。

END

本期編輯|賀振桐    

審      核|何藤升、王藝霖    

Palanisamy, V., "Automotive HVAC Performance Study Using Parametric DoE Approach for Geometric Variation with Mesh-Morphing Method in Ansys Fluent," SAE Technical Paper 2024-28-0008, 2024, https://doi.org/10.4271/2024-28-0008.