ICEM中不同類型網格交界面節點匹配的處理技巧

2016-09-01 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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,而作為前處理的網格工具ICEM可以為它們提供優秀的結構化和非結構化網格。通常在旋轉流體機械(如泵、攪拌器、風力機等)的CFD分析中存在動靜區域網格的交接面,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,很多網友都沒搞清楚哦)。

通俗地說interior方式即用一個“假想的內部墻”將計算域分隔,這個墻的臉皮薄到厚度為0,能使任何介質穿過,且墻面上只有一種網格形式,即所連接的計算域的網格節點是共用的。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格,比如一個劃分四面體網格,另一個劃分六面體網格,那么這兩個計算域的interface上分別為三角形網格和四邊形網格。這樣,不需要兩者在交界面上的網格節點重合,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)網格節點是共用的,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對旋轉機械的內部流場進行非穩態計算時,若采用interior方式連接交界面,則不能使用滑移網格模型導致求解失敗。據筆者了解,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,不論網格節點對應與否,似乎CFX求解更有優勢一些。但是筆者的強迫癥已深入骨髓不可救藥,非要拿fluent軟件采用滑移網格模型來計算用不同網格形式連接但交界面上網格節點匹配的流場(對不起,哥哥不是神經病)。那么問題來了,挖掘機技術哪家強?

預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的網格技術強。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。現在要對左邊小域劃分四面體非結構網格,右邊大域劃分六面體結構化網格,中間的交界面coupling上要求節點重合,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、節點匹配的同種類型網格

創建兩個body,對兩段計算域均同時劃分四面體網格(或者六面體網格),則coupling面上都只存在一種網格,即節點匹配。輸出msh并導入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,但均不能被設置為interface類型,將coupling邊界設置為interior后,coupling-shadow自動消失。這種方法比較常用,因此不予贅述。

二、節點不匹配的不同網格類型

對左邊計算域劃分四面體網格,右邊域劃分六面體結構網格(如圖2),可以發現coupling面上的左右節點是不重合的,即coupling面上存在兩種網格,一種三角形網格,一種四邊形網格。輸出msh并導入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,一個是三角形網格,一個是四邊形網格?？梢詫烧呔O置為interface類型并在“Mesh Interfaces”選項中建立交界面數據傳遞。

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,這樣生成四面體網格的時候軟件只對建立了body的部分劃分網格,檢查質量并優化;

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

(3)創建O-block,建立映射,生成右邊域的六面體結構網格,檢查質量;

(4)轉換為非結構網格,并與左邊四面體網格合并。

a.全局網格 b. coupling處局部顯示 c.交界面的兩種網格

圖2計算域網格

三、節點匹配的不同網格類型

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

a)合并節點,執行Edit Mesh—Merge Nodes—Merge Meshes命令,勾選交界面(coupling)的part,點擊Apply。

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

圖3計算域內部網格

這時,如果導出msh并導入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面上為四邊形網格而已。這種方法實用性很強,對多區計算域中拓撲結構比較簡單的部分劃分六面體結構化網格(如旋轉機械流體計算域進出口延伸管段和翼型繞流的外場等區域)可以在保證節點匹配的情況下盡可能減少網格數目。但是,只要交界面類型設置為interior(或者說不能被改為一對interface)在fluent中就不能采用滑移網格模型而不能順利進行瞬態流場計算。鑒于此,還需將交界面網格進行分割,處理為interface方式。方法如下。

在執行上述命令后,執行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),通過觀察可以發現交界面被分割成了兩部分,導入fluent后,可以將二者設置為interface。至此,就能保證網格模型能夠適應fluent進行瞬態流場計算的需要了。

實際上,執行這一步“Split”命令的效果等同于在Gambit網格劃分中不勾選“connect”而生成的網格模型。順便說明一下,在前述第一種類型下執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,可能是多數人已經用慣了的老知識吧。歡迎吐槽!

Fluent轉換多面體網格的方法(但這個方法僅對四面體網格有效哦!)

采用多面體網格最大的好處是能夠減少網格數目,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(即四面體網格的節點)就被進行Y型劃分后的邊所組成的多邊形包圍,然后刪除原來的節點并由多邊形的端點構成新的網格節點,這樣原來的三角形網格就被多邊形網格所替代,同理,四面體網格轉換為多面體網格。沒事可以畫著玩玩,如果你媽不打你!

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

附圖多面圖網格

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