ICEM中不同類型網(wǎng)格交界面節(jié)點匹配的處理技巧

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

眾所周知(很鄙視這個詞開頭的文章,一看就覺得作者沒水平),CFX和Fluent是目前比較流行的兩款CFD流體分析工具,而作為前處理的網(wǎng)格工具ICEM可以為它們提供優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。通常在旋轉(zhuǎn)流體機械(如泵、攪拌器、風力機等)的CFD分析中存在動靜區(qū)域網(wǎng)格的交接面,有兩種方式定義交界面邊界條件,即interior和interface方式。下面首先對其進行簡單說明(別嫌筆者像唐僧一樣啰嗦,很多網(wǎng)友都沒搞清楚哦)。

通俗地說interior方式即用一個“假想的內(nèi)部墻”將計算域分隔,這個墻的臉皮薄到厚度為0,能使任何介質(zhì)穿過,且墻面上只有一種網(wǎng)格形式,即所連接的計算域的網(wǎng)格節(jié)點是共用的。而interface方式相當于“切蘋果”,因此分割后的兩個計算域均多了一個面邊界,即成對出現(xiàn)的interface。Interface方式的好處在于可以對連接的兩個計算域劃分不同形式的網(wǎng)格,比如一個劃分四面體網(wǎng)格,另一個劃分六面體網(wǎng)格,那么這兩個計算域的interface上分別為三角形網(wǎng)格和四邊形網(wǎng)格。這樣,不需要兩者在交界面上的網(wǎng)格節(jié)點重合,求解器依然可以進行插值計算。另一方面,一對interface不要求完全相同,即一個大面和一個小面連接同樣可以計算。但是需要注意的是,為了提高計算精度,一對interface的面網(wǎng)格尺寸要盡量接近。interior方式的好處在于交界面(只有一個面)網(wǎng)格節(jié)點是共用的,因此避免了interface方式帶來的插值誤差,但在許多方面也存在很多缺點。比如用Fluent對旋轉(zhuǎn)機械的內(nèi)部流場進行非穩(wěn)態(tài)計算時,若采用interior方式連接交界面,則不能使用滑移網(wǎng)格模型導(dǎo)致求解失敗。據(jù)筆者了解,至少ANSYS Fluent14.5及以下版本均存在這個問題,筆者嘗試過在fluent中將一個interior面分割成一對interface但失敗了(如果可行,求大神賜教!)。然而,若用CFX求解就不會存在這個問題,因為CFX認為一個內(nèi)部面有兩個“side”,也就是說CFX中可以將interior“分割成一對interface”。

由上述可知,不論網(wǎng)格節(jié)點對應(yīng)與否,似乎CFX求解更有優(yōu)勢一些。但是筆者的強迫癥已深入骨髓不可救藥,非要拿fluent軟件采用滑移網(wǎng)格模型來計算用不同網(wǎng)格形式連接但交界面上網(wǎng)格節(jié)點匹配的流場(對不起,哥哥不是神經(jīng)病)。那么問題來了,挖掘機技術(shù)哪家強?

預(yù)知挖掘機到底哪家強,不用下回分講,這就劇透給你,其實還是ICEM的網(wǎng)格技術(shù)強。沒事多睡覺,無聊少扯淡。拋青磚,引紅磚,下面開始說正點。天下網(wǎng)友靠不住,有病還得自己治。

簡化一下問題吧,如圖1所示的模型,計算域分為左右兩部分,流體左進右出?，F(xiàn)在要對左邊小域劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,右邊大域劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,中間的交界面coupling上要求節(jié)點重合,但不是interior方式連接,而是一對interface方式連接。

圖1 計算域示意圖

直奔主題太過倉促,畢竟筆者研究這個也花了一些心思,還是娓娓道來比較好,多讓我感受一下小小成就感吧。

一、節(jié)點匹配的同種類型網(wǎng)格

創(chuàng)建兩個body,對兩段計算域均同時劃分四面體網(wǎng)格(或者六面體網(wǎng)格),則coupling面上都只存在一種網(wǎng)格,即節(jié)點匹配。輸出msh并導(dǎo)入fluent后,邊界條件里面的交界面除了coupling面以外,還會自動生成一個coupling-shadow面,兩者均默認為wall類型,但均不能被設(shè)置為interface類型,將coupling邊界設(shè)置為interior后,coupling-shadow自動消失。這種方法比較常用,因此不予贅述。

二、節(jié)點不匹配的不同網(wǎng)格類型

對左邊計算域劃分四面體網(wǎng)格,右邊域劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(如圖2),可以發(fā)現(xiàn)coupling面上的左右節(jié)點是不重合的,即coupling面上存在兩種網(wǎng)格,一種三角形網(wǎng)格,一種四邊形網(wǎng)格。輸出msh并導(dǎo)入fluent后,邊界條件里面的交界面除了coupling面以外,還會自動生成一個coupling:002面,均默認為wall,一個是三角形網(wǎng)格,一個是四邊形網(wǎng)格?？梢詫烧呔O(shè)置為interface類型并在“Mesh Interfaces”選項中建立交界面數(shù)據(jù)傳遞。

主要步驟:

(1)對計算域各個邊界建立part后,僅對左邊域建立body1,這樣生成四面體網(wǎng)格的時候軟件只對建立了body的部分劃分網(wǎng)格,檢查質(zhì)量并優(yōu)化;

(2)創(chuàng)建初始block,命名為body2,選擇右邊域的柱面,僅對右邊域創(chuàng)建初始block;

(3)創(chuàng)建O-block,建立映射,生成右邊域的六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,檢查質(zhì)量;

(4)轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,并與左邊四面體網(wǎng)格合并。

a.全局網(wǎng)格 b. coupling處局部顯示 c.交界面的兩種網(wǎng)格

圖2計算域網(wǎng)格

三、節(jié)點匹配的不同網(wǎng)格類型

對左邊計算域劃分四面體網(wǎng)格,右邊域劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,但通過節(jié)點匹配使交界面上只有一種網(wǎng)格,這樣在左邊域中會形成五面體網(wǎng)格。網(wǎng)格生成步驟為上述4步之后再進行如下操作。

a)合并節(jié)點,執(zhí)行Edit Mesh—Merge Nodes—Merge Meshes命令,勾選交界面(coupling)的part,點擊Apply。

b)由于合并節(jié)點后,coupling面上僅剩下四邊形網(wǎng)格,左邊域中生成五面體網(wǎng)格以連接兩段計算域。這將導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量下降,因此對其進行光順。最后,節(jié)點合并后的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3計算域內(nèi)部網(wǎng)格

這時,如果導(dǎo)出msh并導(dǎo)入fluent,交界面將同第一種類型,不能被改成interface類型,與其不同的僅僅是coupling面上為四邊形網(wǎng)格而已。這種方法實用性很強,對多區(qū)計算域中拓撲結(jié)構(gòu)比較簡單的部分劃分六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(如旋轉(zhuǎn)機械流體計算域進出口延伸管段和翼型繞流的外場等區(qū)域)可以在保證節(jié)點匹配的情況下盡可能減少網(wǎng)格數(shù)目。但是,只要交界面類型設(shè)置為interior(或者說不能被改為一對interface)在fluent中就不能采用滑移網(wǎng)格模型而不能順利進行瞬態(tài)流場計算。鑒于此,還需將交界面網(wǎng)格進行分割,處理為interface方式。方法如下。

在執(zhí)行上述命令后,執(zhí)行Edit Mesh—Split Mesh—Split Internal Wall命令,勾選coupling的part,點擊Apply。這時,ICEM的模型樹中,COUPLING下面多了一個part(叫COUPLING_BACK),通過觀察可以發(fā)現(xiàn)交界面被分割成了兩部分,導(dǎo)入fluent后,可以將二者設(shè)置為interface。至此,就能保證網(wǎng)格模型能夠適應(yīng)fluent進行瞬態(tài)流場計算的需要了。

實際上,執(zhí)行這一步“Split”命令的效果等同于在Gambit網(wǎng)格劃分中不勾選“connect”而生成的網(wǎng)格模型。順便說明一下,在前述第一種類型下執(zhí)行此命令就可以獲得一對interface的效果,博主故意放在最后只是想考驗下大家的耐心而已,并虛心并熱情地擁抱常用此方法的同行的強烈鄙視。

很榮幸您已經(jīng)讀到這里了,為了對您表示感謝,順便再向您展示一點我最近剛學的小技巧,可能是多數(shù)人已經(jīng)用慣了的老知識吧。歡迎吐槽!

Fluent轉(zhuǎn)換多面體網(wǎng)格的方法(但這個方法僅對四面體網(wǎng)格有效哦!)

采用多面體網(wǎng)格最大的好處是能夠減少網(wǎng)格數(shù)目,但是至今不是很流行想必還有很多原因,希望慎用!多面體網(wǎng)格生成原理如下:我們知道對一個三角形進行Y型劃分(類似通過內(nèi)心向各邊做垂線)可以分割為三個四邊形,那么對一系列相鄰的三角形均做Y型劃分,這樣原來三角形的端點(即四面體網(wǎng)格的節(jié)點)就被進行Y型劃分后的邊所組成的多邊形包圍,然后刪除原來的節(jié)點并由多邊形的端點構(gòu)成新的網(wǎng)格節(jié)點,這樣原來的三角形網(wǎng)格就被多邊形網(wǎng)格所替代,同理,四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格。沒事可以畫著玩玩,如果你媽不打你!

方法:對導(dǎo)入的msh文件,執(zhí)行Mesh—Polyhedra—Convert Domain命令,將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為多面體網(wǎng)格,可以減少網(wǎng)格數(shù)至原來的1/5~1/3,對于計算機配置較低的童鞋很實用哦!轉(zhuǎn)換完之后,再執(zhí)行Mesh—Reorder—Domain命令對網(wǎng)格重排序,直到Bandwidth reduction≤1(帶寬壓縮,偶也不知道這是啥玩意),能夠使網(wǎng)格排序更能適應(yīng)流動結(jié)構(gòu),提高收斂性和計算精度。最后,附上網(wǎng)格圖一張。

附圖多面圖網(wǎng)格

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