【Ansys Fluent】透過Ansys Workbench進行一鍵流固耦合DoE設計最佳化
為何需要自動化?
相信許多使用者在針對產品做最佳化設計時，需要透過多組DoE去找到最合適的設計，但過程中免不了要花費許多時間在反覆修改模型、調整參數、邊界設定完成後才開始計算，而牽涉到流-固耦合的問題，往往在修改幾何固體模型後，還要再反覆的修整流體計算域模型，需要大量人為操作，過程極度繁瑣。因此在這邊介紹如何在Ansys Workbench中快速有效率地來進行自動化DoE，減少重複性動作，用最少的人力操作，來達到RD 路徑尋找(Path Finding)的效果。以下藉由離心泵水輪設計，來說明自動化可以帶來在設計上的效能與效率。
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提升泵水輪可靠度空蝕現況與結構應力集中分析
水泵在旋轉中，水輪葉片背面容易會因為轉速、葉片形狀、角度、泵殼水道外型等因素造成局部絕對壓力低於飽和蒸汽壓力，導致水汽化的狀況，這些小氣泡在高速運轉的水泵裡，除了會降低水泵的效率，亦會因為跟水輪碰撞，日積月累造成孔蝕狀況，降低水泵的壽命。圖上是Ansys Fluent求解後的水汽產生狀況，可發現低壓區的有較多的水蒸汽產生，壓力梯度較劇、流速劇烈變化比對水蒸汽較多的區域，可以合理的判定水蒸汽的成因。
搭配Ansys Mechanical的結構應力分析，泵水輪結構應力集中的地方，加上前述水蒸汽好發的區域，若重合度高，則無疑是雪上加霜，會大幅影響泵的使用壽命 (降低MTBF, Mean Time Before Failure)。
利用 Spaceclaim 幾何模型參數化
此次一鍵DoE的案例會針對泵浦的空蝕現象去進行模擬分析，但在自動化分析程序前，需要先完成前置作業，才能用最有效率的方式去執行產品設計最佳化。
第一步，我們來到 SpaceClaim 繪製幾何模型，定義葉片角度為輸入參數 (input parameter)，透過陣列的方式完成水輪葉片，並將超出水輪直徑的葉片修剪，再透過布林運算修模型，留下主要計算流體區域以減少網格數量，上述完成後開始定義流固和流體間的交界面，協助邊界條件迅速設定，前述所提及的流程在每一次改變葉片角度都需要重覆執行一次，過程不難卻繁瑣，因此我們可以透過 SpaceClaim 內的指令碼去撰寫 Python，將前面所提及的動作透過 Python 來幫助我們完成，減少人為疏失外，也能縮短設定時間。
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Fluent Meshing 自動化
前面一步將幾何模型的部分都完成設定了，第二步就要開始進入網格劃分，在第一次建置網格後，會依照下述流程進行：
匯入幾何模型 → 設定加密網格 → 表面網格生成 → 定義邊界型式 → 邊界層設定 → 生成體網格 → 網格劃分完成
流場計算分析自動化
網格切割完後，第三步進到Fluent設定物理模型、各個邊界條件及輸入參數 (input parameter)，在此案例中將轉速定義為輸入參數，或是想進行其他 DoE 的參數也需於此步驟中先設定，軟體會自動將上所有的動作儲存成 .set 設定檔，在往後模型只要發生變更，便會讀取該設定檔來進行設定與模擬計算。完成後相關 input parameter (設計變因)及 output parameter (Index參數)，會自動建置在 Workbench的 Parameter Set，隨後可在 Design Point 輸入設計參數值。
結構應力計算自動化
當Fluent計算完成流場狀況後，接續在 Workbench 中將 Fluent 的壓力場 mapping 到水輪固體結構上，作為結構分析的邊界條件，以此將 Static Structural 與 Fluent 串接。另結構計算的網格劃分設定，Constrain 的設定等，均利用 Py-Mechanical 幫助我們完成，以免除人工設定的繁瑣程序，並於每次幾何形狀調整後，自動完成，且輸出結構應力、應變等 Output Parameter，作為分析參考依據。
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本案例針對不同葉片角度去進行 DoE 模擬分析，所有的設定步驟都完成後，便可以開始等待所有 case 計算完畢並分析模擬結果。當計算結束後，回到 Workbench 的 parameter 頁面中，所有 case 都已用表格方式將所有結果條列好，讓使用者能夠很清楚的去比對不同設計下的結果。
圖上以蒸汽體積比來呈現不同葉片設計角度的蒸汽產量，愈接近紅色即代表氣體占比越高，狀況越差。而整體分析來看，我們希望水輪載運轉下產生的蒸汽少、應力變形小，吸口壓力強以及出口液態水質流率高(含汽較低)，雖然葉片角度調整讓葉片可以背壓低、水輪應力較低、引發液態水汽化狀況較小，但水泵效率在此系列 DoE 葉片調整較度最大的情況 Leg-8 有較 Leg-7 葉片角度稍小的狀況稍微下降，此時則需權衡加工製作成本、使用狀況等做出綜合考量，決定產品設計。
透過 Ansys Workbench 便捷的能力，在研發上可以增加效率，快速達到各種設計標的(Index)確認，在研發的產品競爭力上，可以以快速得到優化的參考資訊，加速 Time-to-Market 的進程，無疑是研發上的最佳幫手。
Pump 低功耗之ESG考量
現今的企業提倡ESG，因此在產品設計便開始將ESG考慮進去，藉此來減少產品在使用上對環境的負擔。上述泵浦案例於設計時，也能從各個能源面向思考來進行產品設計，現在的泵浦運轉需要更高的效率、轉速、能耗才足以應付需求。當所有需求都提高，相對地對環境的負荷也隨之提高，勢必得耗費更多的能源來驅使泵浦運作。
而本案例中，機械軸封在一定之泵浦設計轉速下，是否有過度的壓縮，導致有過多的需耗功產生，也可藉由 Ansys Mechanical 來進行分析與評估，藉此改善機械軸封設計。另應用在離心泵水輪入口與泵殼定子磨合面上，讓水輪在軸向特定設計的推力間隙往入口處移動後，也可利用 Fluent 完成流場壓力計算，獲得水輪前緣與泵殼定子磨合的壓力狀況，藉此評估磨合功耗，來達到 ESG 的節能減碳的目的。
