ICEM中不同类型网格交界面节点匹配的处理技巧

2016-09-01 by:CAE仿真在线来源:互联网

众所周知(很鄙视这个词开头的文章,一看就觉得作者没水平),CFX和Fluent是目前比较流行的两款CFD流体分析工具,而作为前处理的网格工具ICEM可以为它们提供优秀的结构化和非结构化网格。通常在旋转流体机械(如泵、搅拌器、风力机等)的CFD分析中存在动静区域网格的交接面,有两种方式定义交界面边界条件,即interior和interface方式。下面首先对其进行简单说明(别嫌笔者像唐僧一样啰嗦,很多网友都没搞清楚哦)。

通俗地说interior方式即用一个“假想的内部墙”将计算域分隔,这个墙的脸皮薄到厚度为0,能使任何介质穿过,且墙面上只有一种网格形式,即所连接的计算域的网格节点是共用的。而interface方式相当于“切苹果”,因此分割后的两个计算域均多了一个面边界,即成对出现的interface。Interface方式的好处在于可以对连接的两个计算域划分不同形式的网格,比如一个划分四面体网格,另一个划分六面体网格,那么这两个计算域的interface上分别为三角形网格和四边形网格。这样,不需要两者在交界面上的网格节点重合,求解器依然可以进行插值计算。另一方面,一对interface不要求完全相同,即一个大面和一个小面连接同样可以计算。但是需要注意的是,为了提高计算精度,一对interface的面网格尺寸要尽量接近。interior方式的好处在于交界面(只有一个面)网格节点是共用的,因此避免了interface方式带来的插值误差,但在许多方面也存在很多缺点。比如用Fluent对旋转机械的内部流场进行非稳态计算时,若采用interior方式连接交界面,则不能使用滑移网格模型导致求解失败。据笔者了解,至少ANSYS Fluent14.5及以下版本均存在这个问题,笔者尝试过在fluent中将一个interior面分割成一对interface但失败了(如果可行,求大神赐教!)。然而,若用CFX求解就不会存在这个问题,因为CFX认为一个内部面有两个“side”,也就是说CFX中可以将interior“分割成一对interface”。

由上述可知,不论网格节点对应与否,似乎CFX求解更有优势一些。但是笔者的强迫症已深入骨髓不可救药,非要拿fluent软件采用滑移网格模型来计算用不同网格形式连接但交界面上网格节点匹配的流场(对不起,哥哥不是神经病)。那么问题来了,挖掘机技术哪家强?

预知挖掘机到底哪家强,不用下回分讲,这就剧透给你,其实还是ICEM的网格技术强。没事多睡觉,无聊少扯淡。抛青砖,引红砖,下面开始说正点。天下网友靠不住,有病还得自己治。

简化一下问题吧,如图1所示的模型,计算域分为左右两部分,流体左进右出。现在要对左边小域划分四面体非结构网格,右边大域划分六面体结构化网格,中间的交界面coupling上要求节点重合,但不是interior方式连接,而是一对interface方式连接。

图1 计算域示意图

直奔主题太过仓促,毕竟笔者研究这个也花了一些心思,还是娓娓道来比较好,多让我感受一下小小成就感吧。

一、节点匹配的同种类型网格

创建两个body,对两段计算域均同时划分四面体网格(或者六面体网格),则coupling面上都只存在一种网格,即节点匹配。输出msh并导入fluent后,边界条件里面的交界面除了coupling面以外,还会自动生成一个coupling-shadow面,两者均默认为wall类型,但均不能被设置为interface类型,将coupling边界设置为interior后,coupling-shadow自动消失。这种方法比较常用,因此不予赘述。

二、节点不匹配的不同网格类型

对左边计算域划分四面体网格,右边域划分六面体结构网格(如图2),可以发现coupling面上的左右节点是不重合的,即coupling面上存在两种网格,一种三角形网格,一种四边形网格。输出msh并导入fluent后,边界条件里面的交界面除了coupling面以外,还会自动生成一个coupling:002面,均默认为wall,一个是三角形网格,一个是四边形网格。可以将两者均设置为interface类型并在“Mesh Interfaces”选项中建立交界面数据传递。

主要步骤:

(1)对计算域各个边界建立part后,仅对左边域建立body1,这样生成四面体网格的时候软件只对建立了body的部分划分网格,检查质量并优化;

(2)创建初始block,命名为body2,选择右边域的柱面,仅对右边域创建初始block;

(3)创建O-block,建立映射,生成右边域的六面体结构网格,检查质量;

(4)转换为非结构网格,并与左边四面体网格合并。

a.全局网格 b. coupling处局部显示 c.交界面的两种网格

图2计算域网格

三、节点匹配的不同网格类型

对左边计算域划分四面体网格,右边域划分六面体结构网格,但通过节点匹配使交界面上只有一种网格,这样在左边域中会形成五面体网格。网格生成步骤为上述4步之后再进行如下操作。

a)合并节点,执行Edit Mesh—Merge Nodes—Merge Meshes命令,勾选交界面(coupling)的part,点击Apply。

b)由于合并节点后,coupling面上仅剩下四边形网格,左边域中生成五面体网格以连接两段计算域。这将导致网格质量下降,因此对其进行光顺。最后,节点合并后的网格如图3所示。

图3计算域内部网格

这时,如果导出msh并导入fluent,交界面将同第一种类型,不能被改成interface类型,与其不同的仅仅是coupling面上为四边形网格而已。这种方法实用性很强,对多区计算域中拓扑结构比较简单的部分划分六面体结构化网格(如旋转机械流体计算域进出口延伸管段和翼型绕流的外场等区域)可以在保证节点匹配的情况下尽可能减少网格数目。但是,只要交界面类型设置为interior(或者说不能被改为一对interface)在fluent中就不能采用滑移网格模型而不能顺利进行瞬态流场计算。鉴于此,还需将交界面网格进行分割,处理为interface方式。方法如下。

在执行上述命令后,执行Edit Mesh—Split Mesh—Split Internal Wall命令,勾选coupling的part,点击Apply。这时,ICEM的模型树中,COUPLING下面多了一个part(叫COUPLING_BACK),通过观察可以发现交界面被分割成了两部分,导入fluent后,可以将二者设置为interface。至此,就能保证网格模型能够适应fluent进行瞬态流场计算的需要了。

实际上,执行这一步“Split”命令的效果等同于在Gambit网格划分中不勾选“connect”而生成的网格模型。顺便说明一下,在前述第一种类型下执行此命令就可以获得一对interface的效果,博主故意放在最后只是想考验下大家的耐心而已,并虚心并热情地拥抱常用此方法的同行的强烈鄙视。

很荣幸您已经读到这里了,为了对您表示感谢,顺便再向您展示一点我最近刚学的小技巧,可能是多数人已经用惯了的老知识吧。欢迎吐槽!

Fluent转换多面体网格的方法(但这个方法仅对四面体网格有效哦!)

采用多面体网格最大的好处是能够减少网格数目,但是至今不是很流行想必还有很多原因,希望慎用!多面体网格生成原理如下:我们知道对一个三角形进行Y型划分(类似通过内心向各边做垂线)可以分割为三个四边形,那么对一系列相邻的三角形均做Y型划分,这样原来三角形的端点(即四面体网格的节点)就被进行Y型划分后的边所组成的多边形包围,然后删除原来的节点并由多边形的端点构成新的网格节点,这样原来的三角形网格就被多边形网格所替代,同理,四面体网格转换为多面体网格。没事可以画着玩玩,如果你妈不打你!

方法:对导入的msh文件,执行Mesh—Polyhedra—Convert Domain命令,将四面体网格转换为多面体网格,可以减少网格数至原来的1/5~1/3,对于计算机配置较低的童鞋很实用哦!转换完之后,再执行Mesh—Reorder—Domain命令对网格重排序,直到Bandwidth reduction≤1(带宽压缩,偶也不知道这是啥玩意),能够使网格排序更能适应流动结构,提高收敛性和计算精度。最后,附上网格图一张。

附图多面图网格

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