STAR-CCM+ | 管道拓扑优化

作为CFD工程师，管道流场仿真与优化是工作中高频出现的场景，在产品开发过程中一般会进行多轮次的仿真优化，需要不断修改几何模型，不断进行仿真优化迭代，如果你也被重复的模型修改和优化困扰，那拓扑优化真的可以帮你节省大量时间，提高工作效率。

几何模型

几何模型来在[1]程炜,霍泽凯,李晶,等.基于Star-CCM+二次开发的流体拓扑优化[J].计算力学学报[2026-04-06].

具体如下图所示：

网格划分

首先，将几何模型导入STAR-CCM+中，需要在3D-CAD中进行预处理，把整个几何模型切分成三个部分，命名如下图所示：

然后，给几何模型分配流体计算区域，注意在进行这步操作前，需要给几何边界命名，不然流体计算区域的边界名将保持默认，不利于后续操作。分配好的流体域具体如下图所示。

接下来，在Geometry→Operations中创建自动体网格，选择网格划分方法如下图所示：

网格参数设置具体如下图所示。

最后，需要禁止拓扑优化区域的壁面生成边界层网格，所有需要自定义一个表面网格控制，具体设置如下图所示：

以上设置完成就可以划分网格了，划好的网格如下图所示：

物理模型

物理模型选择如下图所示。

边界条件和初始条件

设置边界条件：

1. 选择Regions→in_pipe→inlet→Physics Values→Velocity Magnitude，设置进口速度为0.1m/s，如下图所示

    

2. 设置出口为压力出口，压力值为0Pa

    

   
   

设置初始条件：

1. 在物理模型的初始条件中，设置材料指示器初始状态为1，即拓扑优化区域全为液体，具体设置如下图所示。

    

2. 在计算域中，设置拓扑优化区域的interface界面的材料指示器初始状态为1，避免固体在交界面处生长。

    

求解器设置

在这里我们需要设置伴随求解的成本函数，拓扑优化的目标和约束以及求解的步长和总的求解步数。

1. 伴随求解的成本函数设置为管道进出口压降，拓扑优化的目标也是压降尽可能小，约束是拓扑区域的固体比例，具体设置如下：

    

2. 求解器的步长和总步数设置如下：

    

注意上面第1步设置用到了一个名为Penalty的参数，这个一个惩罚系数，拓扑优化计算的稳定性和它有很大关系，需要在Tools→Parameters中设置参数，初始化值为1000，并设置一个名为MaxPenalty的参数，设置最大值为1000000，如下图所示。

仿真流程自动化迭代

拓扑优化过程是需要不断循环迭代的，好在STAR-CCM+中内置了仿真流程的功能，可以通过创建仿真流程进行自动循环迭代。

计算结果

上面设置好后，就可以点击工具栏中运行仿真流程按钮，开始多轮次仿真优化了。

优化后的计算结果如下图所示：

最后我们通过Isosurface衍生部件将优化后的表面提取到Geometry中，然后再用几何修复功能将管道的表面进行光顺。最终得到如下所示的管道。

最后我们对比下传统设计和拓扑优化设计的区别：