FLUENT圆柱扰流敏感性分析与计算

ANSYS Fluent的adjoint solver用于计算流体系统中仿真结果对于用户输入参数的敏感性分析，这些参数包括流体计算模型、边界条件及初始条件、控制参数以及模型几何形状的敏感性。Fluent中的adjoint Solver是一个强大的组件，可以使用来自一个或多个adjoint解决方案的敏感信息来指导系统的改进，从而可以在系统性能上进行可预测的改进。

本案例是一个圆柱体，上面和下面是对称平面。流动为层流稳态流动，流体为不可压缩流体，雷诺数为40。以下教程忽略整个计算过程中前面的稳态计算部分，仅重点介绍后面敏感性分析部分。

1、启动FLUENT并导入网格

1）在Windows系统下执行“开始”→“所有程序”→ANSYS 18.2→Fluid Dynamics→FLUENT 18.2命令，启动FLUENT 18.2。

2）在FLUENT Launcher界面中的Dimension中选择2D，在Display Options中勾选Display Mesh After Reading，Embed Graphics Windows和Workbench Color Scheme，单击OK按钮进入FLUENT主界面。

3）在FLUENT主界面中，单击主菜单中File→Read→Case & Data按钮，弹出Select File（导入Case）对话框，选择文件名为cylinder_tutorial.cas的模型文件和cylinder_tutorial.cdat的计算结果，单击OK按钮。

4）导入Case后，在图形显示区将显示几何模型。

5）在Graphics下双击Contous弹出Contous（等值线）对话框。Contous of选择Velocity和Velocity Magnitude，在Surface中选择fluid：001，单击Display按钮，显示云图。

2、调入Adjoint Solver

1）在文本信息区，依次输入以下指令

> define/define> models/define/models> addon-moduleFluent Addon Modules:

0. None

1. MHD Model

2. Fiber Model

3. Fuel Cell and Electrolysis Model

4. SOFC Model with Unresolved Electrolyte

5. Population Balance Model

6. Adjoint Solver

7. Single-Potential Battery Model

8. Dual-Potential MSMD Battery Model

9. PEM Fuel Cell Model

10. Macroscopic Particle ModelEnter Module Number: [0] 6

2）输入6，选择导入Adjoint Solver。

3、设置观察值

1）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Observables按钮，弹出Adjoint Observables（观察值）面板。单击Manage按钮，弹出Manage Adjoint Observables（管理观察值）面板。

2）单击Create按钮，弹出Create New Observable（创建新观察值）面板。选择Observables types选项，在选择列表中选择force，在Name中填入force-drag，单击OK按钮关闭对话框。

3）返回Adjoint Observables（观察值）面板后，在Observables中选择force-drag，在Wall Zones中选择wall，在X-Component和Y-Component中分别填入1和0，单击Apply按钮，设置完观察值force-drag。

4）重复上面步骤（2）和（3）设置名称为force-lift的观察值，在X-Component和Y-Component中分别对应填入0和1，单击OK按钮确认。

4、计算拖曳力敏感性

1）在Manage Adjoint Observables（管理观察值）面板中，Observable Names选择force-drag，对应在Sensitivity Orientation中选择Minimize，单击Evaluate按钮，在文本信息区显示如下信息：

Observable name:force-drag

Observable Value (n): 1271.7444

2）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Solver Controls按钮，弹出Adjoint Solution Controls（伴随求解控制）面板。取消选择Solution-Based Controls Initialization和Auto-Adjust Controls，选择Show Advancement Controls并且取消选择Apply Preconditioning，单击OK按钮确认。

3）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Monitors按钮，弹出Adjoint Residual Monitors（伴随残差监视）面板，确保勾选中Print to Console和Plot，其他保持默认值，单击OK按钮确认。

4）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Calculate按钮，弹出Adjoint Run Calculation（伴随开始计算）面板，单击Initialize按钮进行初始化，设置Number of Iterations为200，单击Calculate按钮开始计算。

5）计算完后在Adjoint Run Calculation（伴随开始计算）面板点击Close按钮关闭窗口。

5、拖曳力敏感度后处理

1）边界条件敏感度分析

单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Reporting按钮，弹出Adjoint Reporting（伴随报告）面板，在Boundary choice中选择inlet，点击Report按钮，在文本信息区显示如下信息：

Boundary condition sensitivity report: inlet

Observable: force-drag

Velocity Magnitude (m/s): 40 Sensitivity ((n)/(m/s)): 54.553593

Decrease Velocity Magnitude to decrease force-drag

单击Close按钮，关闭Adjoint Reporting对话框。

2）动量源敏感度分析

单击主菜单中Postprocessing→Graphics→Contours→Edit按钮，弹出Contours（云图）对话框。选择Sensitivities和Sensitivity to Body Force X-Component (Cell Values)，单击Display按钮显示云图。

3）形状敏感度分析

单击主菜单中Postprocessing→Graphics→Vectors→Edit按钮，弹出Vectors（矢量图）对话框。在Vectors of中选择Sensitivity to Shape，在Color by中选择Sensitivities和Sensitivity to Mass Sources (Cell Values) ，在Surfaces中选择wall，单击Display按钮显示矢量图。

4）导出拖曳力敏感度数据

单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Design Tool按钮，弹出Design Tool（设计工具）面板。

在Region选项卡中，单击Get Bounds按钮，弹出Bounding Box Definition对话框，选择wall，单击OK按钮确定。

6、计算升力敏感性

1）在Manage Adjoint Observables（管理观察值）面板中，Observable Names选择force-lift，对应在Sensitivity Orientation中选择Maximize。

2）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Calculate按钮，弹出Adjoint Run Calculation（伴随开始计算）面板，单击Initialize按钮进行初始化，单击Calculate按钮开始计算。

3）计算完后在Adjoint Run Calculation（伴随开始计算）面板点击Close按钮关闭窗口。

7、形状敏感度分析

1）单击主菜单中Design→Adjoint-Based→Design Tool按钮，弹出Design Tool（设计工具）面板。在Objectives选项卡中，单击Manage Data按钮，弹出Manage Sensitivity Data对话框，单击Import Sensitivities按钮，选择输入force-drag.s数据。