[发明专利]基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法

摘要

本发明公开了基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法，利用变密度法对进气歧管流道进行拓扑优化，包括如下步骤：(1)建立进气歧管流体拓扑优化的几何模型，确定设计域；(2)输入介质属性，确定全局和局部变量；(3)以最小能耗为目标，建立进气歧管流体拓扑优化的数学模型，并编写程序；(4)对设计域施加流动速度、压力边界条件和流体载荷；(5)根据RAMP模型求单元的相对密度；(6)编程，利用移动渐进线法进行流体拓扑优化计算，更新设计变量，通过残差来判断迭代是否终止，并输出发动机进气歧管的最优流道拓扑结构。本发明通过调整体积分数、雷诺数以及插值函数参数q可得到最佳流体拓扑结构，适应不同的流体介质，结果可靠。

主权项

基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)根据流体拓扑优化的目的和要求，建立发动机进气歧管流体拓扑优化的设计域几何模型，确定发动机进气歧管流体拓扑优化的流体设计域，并输入介质密度、动力粘度等流体属性；(2)确定全局变量，输入达西数Da、进口特征长度l、体积分数θ，最大流入速度umax、设计域体积、雷诺数Re、以及RAMP(Rational Approximation of Material Properties——RAMP)材料插值函数的参数q；(3)设定局部变量，输入介质的局部渗透率倒数αmax和α；(4)根据最小能耗的目标，选择合适的设计变量和性能约束条件，计算基于流体拓扑优化的发动机进气歧管设计方法的目标函数Φ(u,p,γ)，从而建立发动机进气歧管流体拓扑优化的数学模型：minΦ(u,p,γ)s.t.ρ(u·▽)u‑η▽·(▽u+▽uT)+▽p‑f＝0,inΩ‑▽·u＝0,inΩu＝uD,onΓD[‑pI+η(▽u+▽uT)]n＝g,onΓN∫ΩγdΩ‑θ·V0≤00≤γ≤1式中，ρ是流体密度，η是动力粘度，f为流体体力，p为压强，u为流体的流动速度，V0为设计域的初始体积，0＜θ≤1为流体区域的体积分数，代表发动机进气歧管流道区域的体积占设计区域体积的百分数；(5)给出初始相对密度，设定设计域的约束条件、体积力，输入积分目标表达式，添加设计域边界条件；(5.1)利用有限元法离散化上述流体拓扑优化数学模型，并编写与算法匹配的发动机进气歧管流体拓扑优化的MATLAB程序；(5.2)编写目标函数、约束条件、边界条件和体积力的MATLAB程序；(5.3)在MATLAB程序里设置设计变量的上下限，并给定初始相对密度；(6)对设计域和非设计域分块划分不同密度的四边形网格，设定发动机进气歧管流体拓扑优化的迭代终止条件；(7)根据移动渐进线法(Method of Moving Asymptotes——MMA)更新设计变量：根据MMA法更新有限元单元的相对密度并求更新后的设计域的总体积，由更新前后的相对容差来判断新的插值单元是否迭代终止，若不终止则采用更新后的单元相对密度并依据MMA法继续迭代，若迭代终止则停止计算并输出单元相对密度；(8)计算(7)中输入输出时各对应单元的相对密度差并求最大的相对密度改变值，将最大改变值与所设定的总循环迭代终止条件对比，判断是否满足终止条件，若不满足终止条件则将输出的单元相对密度反馈回去重新迭代，直至满足迭代终止条件为止；(9)输出基于流体拓扑优化的发动机进气歧管最优流道拓扑结构，白色区域为优化后的发动机进气歧管流道。