在工业应用中，设计并联式管路系统时，通常需要优化支路结构从而使各支路按目标流量供给。本案例结合多目标优化软件ISIGHT在STAR-CCM+中进行流场仿真，实现系统的流量分配。
管路系统为单进单出，包括三条不同类型的支路，假设系统总流量为15 L/min，三条支路目标流量都为5 L/min，确定总管路和支路连接段的管路半径，半径范围限定在[1, 6] mm内。模型见图1。
图1 CATIA建模
导入模型
打开STAR-CCM+，新建simulation，选择Parallel on Local Host，Compute Processes设为2，点击OK，保存模型为FlowMatch.sim。
Step-2：
右键Geometry > 3D-CAD Models > new，新建3D-CAD Model，导入CAD model，选择Pipe.stp。
图2 在3D-CAD中导入模型
Step-3：
选择支路1进出口外表面，右键Create Sketch > At Face Center，进入草图编辑界面。在草图面上画圆，约束半径并定义为参数R1，连续点击OK退出草图。
图3 创建草图并定义参数
Step-4：
编辑Design Parameters > R1，单位改为mm，参数值预设为5。修改后，特征树上出现感叹号，右键3D-CAD Model1，选择Update更新。
图4 定义参数和更新模型
Step-5：
右键Sketch，选择Extrude，Method选择Up To Face，Target Face选择管路端面，Body Interaction选择Imprint，点击OK，生成新的Part，重命名为R1。
图5 创建拉伸体
Step-6：
右键R1 > Duplicate，点击OK，生成R1 2，再右键R1 2 > Transform > Mirror，Normal向量设为[0, 1, 0]，将R1 2镜像至另一侧管路和支路的连接处。这样操作的前提是两侧管路完全对称，如果不对称就不能用镜像，需要逐个创建拉伸体。
图6 镜像拉伸体
Step-7：
重复步骤3-6，分别创建支路2和支路3的连接段管路，半径参数和新生成的零件分别命名为R2和R3。点击Close 3D-CAD。
图7 完成所有拉伸体创建
Step-8：
右键Geometry > 3D-CAD Models，新建3D-CAD Model 2，再次导入Pipe.stp。
图8 再次导入模型
模型处理
Step-1：
右键Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1 > Bodies，同时选中所有R零件，右键New Geometry Part，默认设置，点击OK。
右键Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 2 > Bodies，同时选中所有零件，右键New Geometry Part，默认设置，点击OK。
模型从3D-CAD Model导入到Parts。创建Geometry Scene显示模型。
图9 创建New Geometry Part
Step-2：
分别合并主路和支路，重命名为pipe和plate。
图10 合并模型
Step-3：
合并pipe包含的surface，重命名为wall。右键wall > Split by Patch，选中面后点击create分别定义inlet和outlet，完成后点击close退出。
图11 分割进、出口
Step-4：
重命名plate包含的surface，分别为P1、P2、P3。
图12 整理surface
网格定义
Step-1：
点击Operations > New > Mesh > Automated Mesh，重命名为pipe-plate，Parts选择pipe和plate，Enabled Meshers选择Surface Remesher和Polyhedral Mesher。
本案例为减少网格数量提高计算效率，不划分Prism Layer Mesher，实际应用时，读者可根据具体情况决定是否勾选Prism网格。
图13 网格类型定义
Base Size设为10 mm，Target Surface Size > Percentage of Base设为80，Minimum Surface Size > Percentage of Base设为10。
图14 网格尺寸参数设置
Step-3：
同时选中Parts下的pipe和plate，右键选择Assign Parts to Regions，相关设置如图。
图15 分配到Region
物理模型
Step-1：
点击Continua > New > Physics Continuum，创建流体模型。
图16 流体模型
Step-2：
点击Continua > Physics 1 > Initial Conditions > Turbulence Specification，Method设为Intensity + Length Scale，Turbulence Intensity设为0.05，Turbulent Length Scale设为0.016。
图17 调整流动参数
网格划分
Step-1：
在Operations下右键pipe-plate，选择Execute，开始划分pipe和plate的网格。
图18 划分管路和冷板网格
Step-2：
点击Operations > New > Boolean > Imprint，全选所有Part，不勾选Perform CAD Imprint。
图19 创建基于网格的Imprint
Step-3：
Tolerance设为1e-6，Merge/Imprint Method选择Discrete Imprint Surfaces，右键Imprint选择Execute。
图20 执行Imprint
Step-4：
复制pipe-plate，重命名为R，Parts选择所有R零件。
图21 定义连接段拉伸体网格
边界条件
Step-1：
点击Region > pipe > Boundaries > inlet，Type选择Mass Flow Inlet，同理，outlet选择Pressure outlet。
图22 边界类型设置
Step-2：
Mass Flow Rate设为0.24939025 kg/s，等价于15 L/min。STAR-CCM+不能直接给体积流量实在是很不方便，不知道以后更新的版本会不会增加这个功能。
图23 定义入口流量
Report监测量
Step-1：
右键Reports选择New Report > Mass Flow，重命名为R1。同理，创建R2和R3。
同时选中三个Report，右键选择Create Monitor and Plot from Report，选择Single Plot。重命名新生成的plot为Mass Flow，将Plot的Title同样改为Mass Flow。
图24 各支路流量监测
录制宏
Step-1：
在菜单栏点击Start Recording按钮，开始录制宏，宏文件命名为mf.java。
图25 开始录制宏
Step-2：
点击Geometry > 3D-CAD Models > 3D-CAD Model 1 > Design Parameters，依次修改R1、R2、R3对应参数值为2，3，4。
图26 修改连接段半径
Step-3：
右键Operations > Imprint > Execute，更新特征树上的感叹号。
Step-4：
同时选中所有R零件，右键Assign Parts to Regions，创建新的Region，命名为R，选择Create a Boundary for Each Part Surface。
图27 将变径后的连接段分配到Region
Step-5：
右键Operations > R > Execute，更新R零件网格。
Step-6：
点击Stopping Criteria > Maximum Steps，设为5。
Step-7：
点击Reports，R1、R2、R3对应Parts分别选择pipe: wall [R1/pipe]，pipe: wall [R2/pipe]，pipe: wall [R3/pipe]。
图28 选择监测流量的interface面
Step-8：
Step-9：
右键Plots > Mass Flow > Export，保存为mf.csv。停止宏录制。
图29 导出流量结果并停止宏录制
Step-10：
用notepad+打开mf.java文件，可以找到R参数修改行，Maximum Step定义行，mf.csv保存定义行。
图30 宏文件解析
Step-11：
打开mf.java，修改MaximumNumberSteps为200，保存。打开mf.csv，将迭代步调整为200，流量值任意复制即可，完成后保存csv。
图31 修改宏文件和流量监测csv文件
创建bat文件
Step-1：
@echo offcall starccm+ -locale en -load -np 2 %~dp0\FlowMatch.sim -batch mf.javaexit
保存文件，将后缀改为.bat。
图32 批处理文件
Step-2：
将.sim，.bat，.java，.csv四个文件放在同一个文件夹内，以备后续自动执行。
图33 执行文件
ISIGHT设置
Step-1：
打开ISIGHT程序。在Process Components选项卡下将Optimization拖拽至流程树Task处，在Application Components选项卡下将Simcode拖拽至流程树横线处。
图34 创建优化流程
Step-2：
设置模型属性，Model Name设为flowmatch，定义工作路径至前述四个文件所在文件夹，不勾选Create sub-directories。
图35 定义工作路径
Step-3：
双击Simcode进入设置界面，点击Command > Basic，点击Find Program选择opt.bat，勾选Distribute Executable。
图36 Simcode下的Command定义
Step-4：
点击Command > Advanced，取消勾选图中选项。
图37 Advanced选项取消
Step-5：
点击Command > Input，导入mf.java文件。在文本区域右键编辑Edit Section，在Word Separators > Other里输入小括号。
图38 导入java文件
Step-6：
依次定义R1、R2、R3为Input Parameters。
图39 定义输入变量
Step-7：
点击Command > Output，导入mf.csv文件。依次将csv文件最后一行的三个流量值定义为输出变量，分别命名为mf1、mf2、mf3。完成后点击Apply，OK。
图40 定义输出变量
Step-8：
点击流程树上的Simcode，选择Parameters选项卡，分别定义R1、R2、R3参数允许的离散值，参数范围[1, 6]，间隔0.2。
图41 输入参数范围定义
Step-9：
回到Sim-flow选项卡，双击Optimization1设置优化参数。
General选项卡，Optimization Technique选择Pointer，Maximum allowable job time设为12 h，Average analysis time设为2000 s。
图42 优化方法设置
Variables选项卡，全选R1、R2、R3三个参数作为优化变量。
图43 优化变量定义
本案例不设置约束条件，实际应用时可以将系统流阻作为约束条件，如pressure drop < 30 kPa。
Objectives选项卡，选中mf1、mf2、mf3作为优化目标，Direction选择Target，Target值按总流量的1/3设置，5L/min，即0.083130083 kg/s。负号表示方向。完成后点击Apply，OK。
图44 优化目标定义
保存模型为flowmatch.zmf，提交计算，此时ISIGHT开始自动调用sim文件进行优化计算。
图45 提交优化计算
图46 优化结束
图47 计算过程数据
Summary结论。优化结果显示，当R1、R2、R3都为3.2 mm时，流量分配最优，其中，支路1流量为-0.08373 kg/s（5.04 L/min），支路2流量为-0.08261 kg/s（4.97 L/min），支路3流量为-0.08308 kg/s（4.99 L/min）。
图48 最优结果
以上分享的是用ISIGHT这个多目标优化平台对复杂并联回路的流量进行均匀分配的方法，总体上操作比较繁琐，任何一个小的细节有问题都可能导致优化无法正常进行。这里对ISIGHT本身没有进行深入的介绍，有兴趣的朋友可以上百度文库搜索相关学习资料。
实际工程问题中经常涉及优化，针对问题的复杂程度可以考虑手动优化或者自动优化，二者没有绝对的优劣，主要决定于工程人员对问题的理解程度。如果对问题本身有足够的理解，手动调整2-3次方案也许就解决了，但是，如果问题很复杂，不清楚变量和响应之间的关系，那就直接交给优化软件帮助寻优吧。当然，如果变量过多，最好是先基于DOE进行敏度分析，把关键参数找出来，再对关键参数做优化，可以减少工作量。
此外，现在很多软件中都集成了优化方法，比如STAR-CCM+自带的optimate功能，Amesim、Abaqus、Hyperwork等也都有自己的优化功能。因此，如果软件的模块较全面，那最好是能在一个软件里全搞定，这样子优化效率是最高的。
文章来源：也曾是个少年
