网格变形的伴随

给定目标或成本函数的最终灵敏度相对设计参数(即, d L d D )。 这些灵敏度通常用于解决形状优化问题。

设计参数 D 定义形状的网格坐标 X(D) 。 网格变形策略旨在根据设计参数使形状的初始基线网格 X 0 变形,从而演变出新形状 X ( X 0 , D ) 。 在 Simcenter STAR-CCM+ 中用于伴随法的网格变形算法是径向基函数 (RBF) 变形算法。 该变形算法的伴随求导可计算:

图 1. EQUATION_DISPLAY
d L T d D = d X T d D d L T d X
(5087)

其中, d L T d X 为提供的最终网格灵敏度。

在形状优化过程中,通过 Eqn. (5087) 计算得出的设计参数灵敏度是计算新设计参数值的基础。 变形根据这些新值使形状的网格坐标产生变形。

最初

使用径向基函数,在参考位置 x 0 附近插入的位置 x 由下式给出

图 2. EQUATION_DISPLAY
x ( x 0 ) = α + ∑ j = 1 N β j ϕ j ( r j ( x 0 ) )
(5088)

其中

图 3. EQUATION_DISPLAY
r j ( x 0 ) = ‖ x 0 − x j 0 ‖
(5089)

有两种类型的径向基函数:含紧支撑的径向基函数和含全局支撑的径向基函数。 此处仅考虑一个全局支撑函数,即:复二次双调和函数 ϕ ( r ) ,如下所示:

图 4. EQUATION_DISPLAY
ϕ j ( r j ) = r j 2 + c j 2
(5090)

且常数 c j = 0 ,   ∀ j 。 对于域中的一组( N 个)离散参考位置,通过将 Eqn. (5088) 写为以下方程,可以计算该域中的所有 M 个插值位置:

图 5. EQUATION_DISPLAY
[ x 1 ⋮ x M ] = [ 1 1 ⋮ 1 M ] α + [ ϕ 1 , 1 ⋯ ϕ 1 , N ⋮ ⋱ ⋮ ϕ M , 1 ⋯ ϕ M , N ] [ β 1 ⋮ β N ]
(5091)

其中, N × M 矩阵的分量使用径向基函数进行计算

图 6. EQUATION_DISPLAY
ϕ i , j = ϕ j ( r j ( x i 0 ) )
(5092)

Eqn. (5091) 的连续插值函数 Eqn. (5088) 或其离散形式需要系数 α 和 β 1 ... β N 。 这些系数由 N 个已知的插值位置或设计参数 ( D = d 1 ... d N ) 和以下额外约束确定

图 7. EQUATION_DISPLAY
∑ j = 1 N β j = 0
(5093)

根据 Eqn. (5088) 和 Eqn. (5093),构造方程组来求解未知系数:

图 8. EQUATION_DISPLAY
[ ϕ 1 , 1 … ϕ 1 , N 1 1 ⋮ ⋱ ⋮ ⋮ ϕ N , 1 ⋯ ϕ N , N 1 N 1 1 ⋯ 1 N 0 ] [ β 1 ⋮ β N α ] = [ d 1 ⋮ d N 0 ]
(5094)

伴随

从函数的角度来看,变形的独立变量为 D = d 1 ... ⁢     d N ,其非独立变量为 x (连续形式)和 X = x 1 ... x M (离散形式)。 位置 X 0 是方程组的常数。 由于仅变形的离散形式相关,因此所需的雅可比为:

图 9. EQUATION_DISPLAY
J X = d X d D
(5095)

通过对 Eqn. (5091) 应用链式法则,推导得出雅可比正切 j Eqn. (5095):

图 10. EQUATION_DISPLAY
∂ X ∂ d j = [ ∂ x 1 ∂ d j ⋮ ∂ x M ∂ d j ] = [ 1 1 ⋮ 1 M ] ∂ α ∂ d j + [ ϕ 1 , 1 ⋯ ϕ 1 , N ⋮ ⋱ ⋮ ϕ M , 1 ⋯ ϕ M , N ] [ ∂ β 1 ∂ d j ⋮ ∂ β N ∂ d j ]
(5096)

系数 α 和 β 1 ... ⁢     β N 相对 d j 的导数通过求解以下方程组确定:

图 11. EQUATION_DISPLAY
[ ϕ 1 , 1 ⋯ ϕ 1 , N 1 1 ⋮ ⋱ ⋮ ⋮ ϕ N , 1 ⋯ ϕ N , N 1 N 1 1 ⋯ 1 N 0 ] [ ∂ β 1 ∂ d j ⋮ ∂ β N ∂ d j ∂ α ∂ d j ] = [ ∂ d 1 ∂ d j ⋮ ∂ d N ∂ d j 0 ]
(5097)

因此,求解正切导数要求能够计算特定输入的 Eqn. (5091) 和 Eqn. (5094)。

伴随变形计算的目的是计算 Eqn. (5087)。 此方程右侧的第二项已提供(请参见成本函数相对流体和 能量求解的灵敏度),因此变形伴随必须计算这两项的乘积,即: d L d D T 。

此乘积通过对 Eqn. (5091) 应用链式法则并转置结果推导得出:

图 12. EQUATION_DISPLAY
∂ L ∂ α = [ 1 1 ⋮ 1 M ] T [ ∂ L ∂ x 1 ⋮ ∂ L ∂ x M ] [ ∂ L ∂ β 1 ⋮ ∂ L ∂ β N ] = [ ϕ 1 , 1 ⋯ ϕ 1 , N ⋮ ⋱ ⋮ ϕ M , 1 ⋯ ϕ M , N ] T [ ∂ L ∂ x 1 ⋮ ∂ L ∂ x M ]
(5098)

计算 Eqn. (5098) 时,伴随通过求解以下方程组获得:

图 13. EQUATION_DISPLAY
[ ϕ 1 , 1 ⋯ ϕ 1 , N 1 1 ⋮ ⋱ ⋮ ⋮ ϕ N , 1 ⋯ ϕ N , N 1 N 1 1 ⋯ 1 N 0 ] T [ ∂ L ∂ d 1 ⋮ ∂ L ∂ d N t ] = [ ∂ L ∂ β 1 ⋮ ∂ L ∂ β N ∂ L ∂ α ]
(5099)

其中,将放弃结果 t 。