基于变密度法的流体拓扑优化方法及实验研究
发布时间：2021-04-24 03:51
流体拓扑优化是近年来优化领域的研究热点,国内目前仍处于起步发展阶段,现有研究大部分针对简单的流道结构设计,而针对复杂工程问题同时开展流体拓扑优化设计方法和实验对比研究非常少。因此,建立可靠的流体拓扑优化数学模型对实际工程问题进行拓扑优化设计并进行实验研究,就显得尤为重要。多边形网格法突破了传统网格划分方法在流体拓扑优化过程中不易对复杂流道结构划分网格的难题,具有对结构网格依赖性较小,几何形状适应性强和计算精度高等优点。因此,本文基于变密度法对有限元法和多边形网格法流体拓扑优化进行了研究,并通过实验对比验证了多边形网格法对流体拓扑优化问题的可行性和优越性。主要研究内容包括:（1）利用FEM法、EFG法和多边形网格法对不可压缩流体定常流动问题的控制方程进行了离散,并编写计算程序完成了算例的流场分析和对比验证,结果表明多边形网格法与EFG法、FEM法流场结果吻合较好,但相比于EFG法需要两套节点来处理压力震荡问题,多边形网格法只需要一套网格就能得到相同精度的计算结果。（2）基于变密度法中的材料属性理性近似模型（RAMP）,选择最小能量耗散作为流体拓扑优化的目标函数,建立了流道结构流体拓扑优化...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 流体流动分析数值方法的研究现状
1.3 流体拓扑优化方法研究现状
1.4 本文的研究路线和研究内容
第2章 基于无网格法和有限元及多边形网格法的流体流动分析
2.1 引言
2.2 基于EFG法的流体流动分析
2.2.1 移动最小二乘法
2.2.2 权函数
2.2.3 定常流动问题的EFG法离散控制方程
2.3 基于FEM法的流体流动分析
2.4 基于多边形网格法的流体流动分析
2.4.1 多边形网格法基本理论
2.4.2 流动分析的多边形网格法离散控制方程
2.5 流场分析算例
2.5.1 四端器件
2.5.2 四缸进气歧管
2.5.3 双管
2.6 本章小结
第3章 基于变密度法的有限元流体拓扑优化研究
3.1 引言
3.2 流体动力学问题的基本方程
3.3 变密度法
3.3.1 拓扑优化RAMP材料插值模型
3.3.2 基于变密度法的流体拓扑优化有限元模型
3.3.3 基于变密度法的有限元流体拓扑优化算法
3.4 基于变密度法的有限元流体拓扑优化流程
3.5 基于变密度法的有限元流体拓扑优化算例
3.5.1 分流管
3.5.2 四缸进气歧管
3.5.3 五缸进气歧管
3.6 有限元拓扑优化参数的验证
3.7 本章小结
第4章 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化研究
4.1 引言
4.2 基于变密度法的流体拓扑优化多边形网格法模型
4.2.1 流体拓扑优化的多边形网格法数学模型
4.2.2 流体拓扑优化模型的多边形网格法离散
4.3 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化流程
4.4 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化算例
4.4.1 双管
4.4.2 四缸进气歧管
4.4.3 四端器件
4.5 多边形网格法拓扑优化参数的验证
4.6 本章小结
第5章 流体拓扑优化的实验设计及对比验证
5.1 实验原理和流场测试
5.2 流道结构加工和实验平台搭建
5.2.1 流道拓扑结构的3D打印
5.2.2 实验器材和设备
5.2.3 流场测试实验平台搭建
5.3 实验数据处理和对比验证
5.3.1 实验数据分析
5.3.2 仿真结果对比
5.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士学位期间已公开发表的论文和专利
附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]水平集与灵敏度分析相结合的流体形状识别与优化方法[J]. 刘小民,张彬,张卓飒. 西安交通大学学报. 2014(07)
[2]基于RAMP插值模型结合导重法求解拓扑优化问题[J]. 陈祥,刘辛军. 机械工程学报. 2012(01)
[3]基于移动渐近线方法的结构多刚度拓扑优化设计[J]. 张云清,罗震,陈立平,赵永胜. 航空学报. 2006(06)
硕士论文
[1]基于拉格朗日和欧拉描述方法的微混合器设计[D]. 徐一凡.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
[2]被动式微流体混合器的通道拓扑优化[D]. 高清勇.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
本文编号：3156619
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的研究背景及意义
1.2 流体流动分析数值方法的研究现状
1.3 流体拓扑优化方法研究现状
1.4 本文的研究路线和研究内容
第2章 基于无网格法和有限元及多边形网格法的流体流动分析
2.1 引言
2.2 基于EFG法的流体流动分析
2.2.1 移动最小二乘法
2.2.2 权函数
2.2.3 定常流动问题的EFG法离散控制方程
2.3 基于FEM法的流体流动分析
2.4 基于多边形网格法的流体流动分析
2.4.1 多边形网格法基本理论
2.4.2 流动分析的多边形网格法离散控制方程
2.5 流场分析算例
2.5.1 四端器件
2.5.2 四缸进气歧管
2.5.3 双管
2.6 本章小结
第3章 基于变密度法的有限元流体拓扑优化研究
3.1 引言
3.2 流体动力学问题的基本方程
3.3 变密度法
3.3.1 拓扑优化RAMP材料插值模型
3.3.2 基于变密度法的流体拓扑优化有限元模型
3.3.3 基于变密度法的有限元流体拓扑优化算法
3.4 基于变密度法的有限元流体拓扑优化流程
3.5 基于变密度法的有限元流体拓扑优化算例
3.5.1 分流管
3.5.2 四缸进气歧管
3.5.3 五缸进气歧管
3.6 有限元拓扑优化参数的验证
3.7 本章小结
第4章 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化研究
4.1 引言
4.2 基于变密度法的流体拓扑优化多边形网格法模型
4.2.1 流体拓扑优化的多边形网格法数学模型
4.2.2 流体拓扑优化模型的多边形网格法离散
4.3 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化流程
4.4 基于变密度法的多边形网格法流体拓扑优化算例
4.4.1 双管
4.4.2 四缸进气歧管
4.4.3 四端器件
4.5 多边形网格法拓扑优化参数的验证
4.6 本章小结
第5章 流体拓扑优化的实验设计及对比验证
5.1 实验原理和流场测试
5.2 流道结构加工和实验平台搭建
5.2.1 流道拓扑结构的3D打印
5.2.2 实验器材和设备
5.2.3 流场测试实验平台搭建
5.3 实验数据处理和对比验证
5.3.1 实验数据分析
5.3.2 仿真结果对比
5.4 本章小结
总结与展望
参考文献
致谢
附录A 攻读硕士学位期间已公开发表的论文和专利
附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目
【参考文献】：
期刊论文
[1]水平集与灵敏度分析相结合的流体形状识别与优化方法[J]. 刘小民,张彬,张卓飒. 西安交通大学学报. 2014(07)
[2]基于RAMP插值模型结合导重法求解拓扑优化问题[J]. 陈祥,刘辛军. 机械工程学报. 2012(01)
[3]基于移动渐近线方法的结构多刚度拓扑优化设计[J]. 张云清,罗震,陈立平,赵永胜. 航空学报. 2006(06)
硕士论文
[1]基于拉格朗日和欧拉描述方法的微混合器设计[D]. 徐一凡.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2013
[2]被动式微流体混合器的通道拓扑优化[D]. 高清勇.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2011
本文编号：3156619
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