博客分享｜构建便捷可靠的叶轮机械自动优化工作流程

一个运行良好的自动优化程序并不等同于一个无缝、可拓展的工作流程。前者是一个结果，后者是一个可稳定在不同项目上使用的流程。

当一个一线设计团队在考虑是否将自动优化纳入到他们的常规设计流程中时，他们会有一些工作考量。这一自动优化流程要求的时间、人力、资源都必须足够低，以便设计者能够习惯调用它。而不是在时间、人力、资源有富裕时才选择性地采用它。

影响整个自动优化流程花销的一个关键因素是该流程中各功能模块之间的协同能力。如果设计模块、优化模块、CFD求解器能紧密相连，那么当设计者在设置和运行优化时就无需每次繁琐的构建流程。

基于这些深度相连模块的流程也有利于更多的设计者使用，这一特点将不再要求设计者对各模块的具体软件操作环境有深入的研究。而更紧密的集成意味着设计优化工作不再由执行人员决定，而是转而依靠流程本身决定。这使得这一流程能够跨团队、跨项目执行。

即使拥有强大叶轮机械CAE能力和经验的工程师团队，在尝试调用可重复利用的自动优化流程时，仍可能出现大量交互不顺的情况。这些交互不顺的情况若处理不畅，就会使得工作流被“打断”。而出现这一问题的根本原因在于上图中这些模块（设计模块-优化模块-CFD求解器-后处理等）的协同工作能力没开发好。

这首先体现在设计模块与优化平台的链接上。在许多CAE软件的环境中，这些链接是手动或半自动的，导致工程师需要手动导出几何数据、配置输入参数以及设置优化参数。设计程序与优化程序之间并无内在关联（只是通过导出的设计几何与优化模块相关联）。

另一个巨大的挑战是CFD求解器的集成问题。在优化流程中运行CFD分析，不仅仅是一个软件链接问题，还意味着要用统一的方式管理网格生成器、求解器设置、收敛准则以及结果提取。这样才能保证每一次优化迭代时，运行的前提条件是一致的。当这一过程不是自动完成，或运行的并不严谨时，微小的差异会随着自动优化程序的迭代过程迅速累计，并影响最终结果。需要在优化过程中手动调整的流程并不是真正的自动优化。这一调整过程需要花费大量人力、时间成本。这使得设计团队不得不将优化视为一种选择性的设计步骤，而非常规化的设计步骤。

在不同软件环境中执行上述过程会进一步加重这个问题。

叶轮机械的设计通常会用到多款工具分别处理流程中的不同环节，包括：几何建模、网格划分、仿真、后处理等。而保持这些环境之间的同步需要持续不断的努力。当数据格式在交互时发生变化、某一工具中定义的参数无法清晰映射给另一工具、程序出现故障或输出意外结果时，自动优化过程中的各类问题便会接踵而至。而想要逐个环节排查问题会花费大量时间。

总之，这些交互不畅的点共同构成了一种在有限条件下有效的优化流程。但这一流程在大规模成体系运用时确变得不可靠。结果导致传统优化流程仍是一项需要付出巨大努力的工作，而非默认的设计步骤。

上文描述的这些交互不畅的点并非不可避免。它是由于整个优化工作流集成度不够所导致的。一旦解决了集成度不够的问题，优化工作流程的效果会大为改善。

一个高度集成的优化工作流无需设计工程师每次都重新建立不同功能模块之间的链接。设计参数无需手动导入优化模块中。CFD求解器（无论是我司自主研发的PbCFD求解器，还是叶轮机械行业通用的CFX/Numeca/ADS CFD求解器）会自动打开，稳定运行，并以优化平台已知的格式返回结果。原本需要数小时完成的设置工作，现在仅需几分钟即可完成。更重要的是，在迭代过程中，上述过程每次起始的方式都完全相同。

在Axcent中直接加载各类CFD/FEA求解器，以便于自动优化

这种一致性使得该优化流程可在不同输出端之间通用。当变量在基础匹配中一次性定义并自动传输入工作流中后，参数就能在每次迭代计算和不同工程师之间保持一致。此外，由于手动交互的频率变少，因此人工操作导致错误的可能性也大为降低。

高度集成的设计工作流程也有利于更多团队成员加入到设计工作中。由于工作流程中各模块已高度集成，设计者无需对每个模块都深入研究。初学者也能借助一套成熟的设计工作流程完成以往需要高级设计者才能完成的工作。

采用专为叶轮机械设计开发的高度集成的设计和优化的CAE软件（如我司的Axial/Compal/Axcent/TurboOPTII等系列软件模块）可使得上述工作变得非常容易。

当需要的人工干预成本大为减少时，优化的本质将改变。它不再只是设计后期的一个“验证环节”，而是工程师更早、更频繁使用的常规工具。这意味着设计者在做出最终决策前，就能通过自动优化流程充分研究设计方案（甚至早在一维设计阶段）。

对于叶轮机械设计团队而言，这一改变影响巨大。原来对于复杂的过流部件（如叶轮、扩压器等），过去可能只用做一两个优化方案进行对比。而今天，随着自动优化工作流的成熟，可能需要做数十个方案。另外，项目设计时间表也会进一步缩短。因为从一维设计到最终产品定型并验证的整个设计工作流程，也会更加自动化和高效。

单次的优化和成体系、可重复使用的自动优化工作流程之间的差距，不是由工具或使用者造成的，而是由各工具之间链接的集成性决定的。目前大多数工程团队缺乏的是让优化工具在设计流程中顺畅运行起来的集成工具链接。采用专业软件后，我们会发现这一点是很容易实现的。