风管拓扑结构优化方法、装置、设备及存储介质与流程

本技术涉及汽车风管，尤其涉及风管拓扑结构优化方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、汽车空调与通风系统是提升乘坐舒适性的重要组成半部分，其中风管承担着气流输送与分配的关键功能。汽车风管作为汽车空调系统的核心部件，其内部流场紊乱、弯道涡流、截面突变等问题易造成显著压力损失，不仅降低空调送风效率、增加整车能耗，还会导致出风口风速不均、驾乘舒适性下降。

2、传统风管设计多基于经验公式与反复试验，设计周期长且难以保证全局最优。随着计算流体力学（computational fluid dynamics，简称cfd）技术发展，数值仿真成为风管流场评估的有效手段，但单纯依靠 cfd 仿真仅能完成方案校核，难以主动寻优得到高性能流道结构。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种风管拓扑结构优化方法、装置、设备及存储介质，旨在解决如何减少汽车空调风管在使用过程中的压力损失，提高送风效率的技术问题。

2、为实现上述目的，本技术提出一种风管拓扑结构优化方法，所述风管拓扑结构优化方法包括：

3、将质量流量入口作为入口条件，将压力出口作为出口条件，将壁面流体速度与壁面速度相同作为壁面条件；

4、根据所述入口条件、所述出口条件以及所述壁面条件，对初始风管结构模型进行流场仿真计算，得到空间点速度矢量，其中，初始风管结构模型中的目标设计空间被填充为完整的最大可能包络体积；

5、基于所述空间点速度矢量确定气流粘性耗散和摩擦耗散；

6、根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散在所述目标设计空间中对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构。

7、在一实施例中，所述基于所述空间点速度矢量确定气流粘性耗散和摩擦耗散的步骤，包括：

8、根据所述空间点速度矢量确定速度梯度；

9、根据所述速度梯度和流体动力粘度计算气流粘性耗散；

10、根据所述空间点速度矢量和惩罚参数计算摩擦耗散。

11、在一实施例中，所述根据所述空间点速度矢量和惩罚参数计算摩擦耗散的步骤，包括：

12、根据设计变量和惩罚参数计算惩罚系数，其中，所述设计变量用于表征目标设计空间中每个空间点的流体状态或固体状态；

13、根据所述空间点速度矢量和所述惩罚系数计算摩擦耗散。

14、在一实施例中，所述根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散在所述目标设计空间中对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构的步骤，包括：

15、根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散计算能量耗散；

16、基于所述目标设计空间的体积确定体积约束条件；

17、以最小化所述能量耗散为目标，基于所述体积约束条件对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构。

18、在一实施例中，所述以最小化所述能量耗散为目标，基于所述体积约束条件对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构的步骤，包括：

19、以最小化所述能量耗散为目标，基于所述体积约束条件对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到优化风管结构模型；

20、获取所述优化风管结构模型的材料密度分布信息；

21、根据预设材料密度阈值从所述材料密度分布信息中提取流体相界面，得到拓扑几何；

22、对所述拓扑几何的拓扑边界轮廓进行样条曲线拟合和光顺曲面拟合，得到目标风管结构。

23、在一实施例中，所述根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散在所述目标设计空间中对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构的步骤，包括：

24、根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散在所述目标设计空间中对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到优化风管结构模型；

25、获取所述优化风管结构模型的骨架结构和密度场信息；

26、根据所述密度场信息确定壁面周边的薄层变形壳；

27、获取所述骨架结构的风管出口截面速度信息和出口截面网格点数量；

28、根据所述出口截面速度信息和所述出口截面网格点数量对所述薄层变形壳结构进行优化，得到目标壁面网格节点坐标；

29、基于所述目标壁面网格节点坐标对所述优化风管结构模型的壁面结构进行优化，得到目标风管结构。

30、在一实施例中，所述根据所述出口截面速度信息和所述出口截面网格点数量对所述薄层变形壳结构进行优化，得到目标壁面网格节点坐标的步骤，包括：

31、根据所述出口截面速度信息和所述出口截面网格点数量确定出口截面速度方差；

32、获取所述薄层变形壳内流场的速度梯度信息；

33、根据所述速度梯度信息和湍流黏性系数确定局部湍动能生成率；

34、根据所述出口截面速度方差和所述局部湍动能生成率计算优化函数值；

35、以最小化所述优化函数值为目标，调整所述薄层变形壳内壁面网格节点的法向位置，得到目标壁面网格节点坐标。

36、在一实施例中，所述将质量流量入口作为入口条件，将压力出口作为出口条件，将壁面流体速度与壁面速度相同作为壁面条件的步骤之前，还包括：

37、获取初始风管结构模型的包络空间；

38、确定所述包络空间的入口段区域和出口段区域；

39、基于所述入口段区域和所述出口段区域从所述包络空间中确定目标设计空间。

40、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种风管拓扑结构优化装置，所述风管拓扑结构优化装置包括：

41、条件设定模块，用于将质量流量入口作为入口条件，将压力出口作为出口条件，将壁面流体速度与壁面速度相同作为壁面条件；

42、流场仿真模块，用于根据所述入口条件、所述出口条件以及所述壁面条件，对初始风管结构模型进行流场仿真计算，得到空间点速度矢量，其中，初始风管结构模型中的目标设计空间被填充为完整的最大可能包络体积；

43、耗散计算模块，用于基于所述空间点速度矢量确定气流粘性耗散和摩擦耗散；

44、拓扑优化模块，用于根据所述气流粘性耗散和所述摩擦耗散在所述目标设计空间中对所述初始风管结构模型的拓扑进行优化，得到目标风管结构。

45、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种风管拓扑结构优化设备，所述设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序配置为实现如上文所述的风管拓扑结构优化方法的步骤。

46、此外，为实现上述目的，本技术还提出一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的风管拓扑结构优化方法的步骤。

47、此外，为实现上述目的，本技术还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述的风管拓扑结构优化方法的步骤。

48、本技术提出的一个或多个技术方案，至少具有以下技术效果：

49、通过设定质量流量入口以保证进入风管的空气流量恒定、设定压力出口以建立出口处的压力参考基准、设定壁面流体速度与壁面速度相同以模拟真实壁面粘性摩擦，从而在目标设计空间内构建符合风管实际工作状态的流场仿真环境并获得反映全场流动细节的空间点速度矢量，以气流粘性耗散和摩擦耗散为优化目标，将压力损失的物理来源分解为流体内部粘性摩擦与固体区域流动阻，可以准确优化流道急弯处的剪切过强和局部流通面积过窄导致的压力损失，降低空调系统内部的空气动力学阻力，提高送风效率。