伴随拓扑优化：流经 U 形弯管

Simcenter STAR-CCM+ 提供一种伴随拓扑优化方法，用于查找复杂流体问题的优化设计。例如，拓扑优化可以协助设计飞机或地面交通车辆中的组件（例如空气管道），以提高性能和效率。

伴随拓扑优化用于确定材料在域中的理想分布，以满足对其施加的单一目标和任何约束。拓扑优化可为选定准则提供有价值的解算方案，无需在优化过程之前定义任何初始形状或拓扑。优化使用基于伴随的灵敏度改进水平集方程，以跟踪流体-固体交界面，从而在优化中的每个时间步调整拓扑。通过优化在选定设计域中分布一定数量的材料，拓扑优化可提供有价值的解算方案

本教程的目标是通过尽可能降低入口和出口之间的压降来确定流经 U 形弯管配置的理想水流流道。优化受约束，流体-固体材料分布中用于描述拓扑的固体比例必须小于 65%。下图显示几何：

水流以 0.05 m/s 的速度通过速度入口边界进入入口通道，然后在大气压力下通过压力出口边界离开。几何分为三个区域：入口通道、出口通道和拓扑优化域。拓扑优化仅在拓扑优化域中执行，通过将由拓扑物理模型定义的固相与区域相关联。流体-固体材料分布由标量场（材料指示器字段）给出。

可采用自适应网格细化 (AMR) 沿固体-流体交界面对网格进行局部细化。拓扑物理网格自适应方法可用于调整网格。此模型根据材料指示器场的梯度标识要细化的固体-流体交界面网格单元，因此仅在靠近交界面的网格体积处细化网格。

完成拓扑优化后，可以从计算的材料指示符器字段中抽取闭合表面。此抽取表面将作为几何部件自动添加至模拟树。然后，可以对此优化的几何部件进行网格化，并运行流体模拟以验证新设计。