ANSYS ICEM网格划分中有洞问题的分析

 摘要:在叶片式流体机械CFD数值模拟的网格划分阶段,用ANSYS ICEM生成网格时易出现/有洞0现象.通过不断改变质心点的位置,分析出现这种现象的原因,探索解决叶片式流体机械CFD数值模拟中网格划分时易出现/有洞0问题的办法.指出正确地创建体是解决这种问题的关键;阐述如何正确地创建体,以及正确创建体的2种方法.经实例验证表明,2种创建体的方法对解决网格划分中的/有洞0问题很有效,能够顺利地生成符合数值计算所需要的网格.对于结构简单的部分用两基点法创建体比较快捷,对于结构和几何形状复杂的部分用表面法创建体,可以迅速解决/有洞问题.

  在进行数值求解流体动力学问题时,理论上对于一个给定的物理模型,在完成正确的实体造型后,只需进行简单的操作,便可以生成所需要的网格[1-3].但事实并非如此,多数进行流场数值模拟的初始计算者在对较复杂形状过流通道划分网格时,常常会遇到/有洞的困扰,给数值模拟的顺利进行带来了一定困扰和麻烦.

  鉴于上述情况,本文通过实例对造成网格划分时易出现/有洞0问题的原因进行剖析,并对两基点法创建体进行重点研究,探索出解决叶片式流体机械CFD数值模拟中的网格划分时易出现/有洞问题的方法.

  1 网格划分的基本概念

  1.1 网格生成

  从概念上网格可以这样生成:给定对应物理域边界坐标的E、G值,然后通过边界点连接2组坐标线,交叉构成内部节点.从某种意义上网格生成是一个边值问题:给定域R的边界5R上的值E=Eb(x,y),G=Gb(x,y),然后求内点的E=E(x,y),G=G(x,y)值,以物理(一般为直角坐标)坐标(x,y)为自变量,曲线坐标(E,G)为因变量.

  1.2 创建体

  ANSYS ICEM CFD是基于有限体积法进行网格划分的[4-5].为便于理解,本文把封闭的过流通道称为空腔.在ICEM中有流体经过的区域是通过创建合适的体来表示的,它是由实体模型组成的封闭空腔.在同一个模型中,各部分流体运动情况是不同的,所以需要创建不同的体.如水轮机中的转轮、主轴是绕轴线旋转的,为动体;引水部分及尾水部分为静止不动的,则设为静体.

  1.3 正确的网格显示

  ANSYS ICEM CFD软件在正确划分出符合要求的贴体坐标网格后[6-8],造型中的实体部分显示是空的,而只显示该部分实体与流体接触的面网格(此时,关闭体网格显示功能则面网格显示更清楚).例如:导叶在造型时为实体,在网格划分后的模型中显示是空的,如图1所示.它可以用来检查所划分的网格是否符合计算域的要求.

  2 网格生成实例剖析及应用

  本文实例模型为自行设计的HL120水轮机,并在Pro/E中进行实体造型,其三维造型的总体效果如图2所示.

  2.1 有洞现象综述

  在Pro/E中将上面完成的实体造型保存为wanzheng.step文件,并将该文件导入ANSYS ICEMCFD中,各部分创建面的情况是:进口面、蜗壳面、座环面、活动导叶面、固定导叶面、上冠面、下环面、叶片面、尾水管面及出口面,并在动静结合处建立了两个耦合面.用两基点法创建3个体,如图1所示.创建体1(BODY1)所选的用于产生质心点的两个基点的位置在蜗壳进口处;创建体3的两个基点选在尾水管出口处;创建体2的两个基点分别取在上冠和下环上,由这两个基点生成的质心点的位置在上冠的上侧.用适用性强的Tetra/mixed网格类型划分网格[9],其结果弹出有洞提示对话框.

  2.2 有洞现象剖析

  相信大多数ICEM的使用者在网格化分中看到/Your geometry has a hole,do you want to re-pair it?0的有洞提示时,第一反应往往都是认为网格划分不成功,是自己的三维造型存在问题;或认为造型的某两个面结合处尺寸不够匹配、存在缝隙;或认为叶片造型时某些面没有被完全正确地切割;再加上某些三维造型软件在显示模型时存在着一定的失真现象等.总之,由于各种因素的掺杂,使造成/有洞0的真正原因何在判断不清,所以便盲目地反复审查、修改三维实体模型.但当模型修改并确认无误后重新划分网格时,/有洞0的现象依然存在.当点击提示对话框的/是0以后,窗口显示的界面如图3所示.此时整个模型是用线条表示的,并多出了一条连接/ORFN0的线,它的另一端连接着体2,并注意到此时信息窗口出现下面的提示,/material point OR-FN/-1 can reach material point body 20.

  分析是否是所建的体有问题.首先删除体1,即相当于不建立体1,其余不变重新划分网格,仍然提示/有洞0;然后恢复体1,删除体2,其他不变重新划分网格,有洞现象消除,结果如图4所示.在检查网格划分情况时发现,所画出的网格不是所需要的,可看出整个动体部分即转轮部分并未划分网格,可能是体2有问题.为验证体2是否有问题,重新恢复体2,删除体3;结果又弹出有洞提示对话框,说明体2确实存在问题.

  出现有洞提示的原因是体2创建不合适,那么接下来的问题是怎样正确地创建出体2.实际操作中,通过不断地改变这2个基点的位置(这样由这两个基点产生的质心点的位置也不同)来分析研究对网格划分产生的影响:

  1)在上冠表面和下环表面分别选一点,质心点位于上冠线的上侧,结果提示/有洞0;

  2)在上冠表面和下环表面分别再重新选一点,并观察质心点的位置,它处于转轮内并在叶片上,结果没有弹出/有洞0提示,表明网格划分成功;但检查整个转轮网格划分情况时发现,只有在一个单叶片上划有网格,其余叶片上都没有网格,如图5所示,说明所划出的网格不符合要求;

  3)仍在上冠表面和下环表面再分别选一点,并使质心点处在封闭转轮内部且不位于叶片上,结果有洞现象消除,检查网格划分情况,网格划分成功,完全符合要求;

  4)在上冠及耦合面2(即转轮出口与尾水管入口的交界面)上分别选一点,质心点位于上冠的上侧,不在封闭转轮的内部,结果显示有洞;

  5)再在上冠及耦合面2上分别选一点,质心点位于上冠的下侧,在封闭转轮的内部,并且不处在任何实体内,结果网格划分成功且符合要求;

  6)在叶片上创建一点,在叶片临近的下环处创建另外一点,这样质心点位于封闭的转轮内,并且不在转轮内的任何模型实体上,结果网格划分成功且符合要求.

  2.3 有洞处理方法

  从上述操作实例中可以看出,由于所选的2个基点的位置不同,使得质心点的位置也不同,从而导致网格划分出现了不同的情况.分析上述各种情况,不难得出处理有洞问题的方法:

  1)要保证所选的2个基点在所要建体的封闭模型的面上,即所选的2个基点必须在围成同一个空腔的封闭表面上(不一定必须是外表面),且不能越过耦合面,这个封闭的空腔一般是在造型时就已经完成的;

  2)应使这2个基点的质心点位于空腔内,就是当封闭空腔内充满流体时该质心点应该完全被流体/淹没0.这里完全淹没是指该质心点不能与实体模型的任何一个面有接触,更不能位于任一个实体内.例如:叶片是转轮封闭空腔内的实体,若该质心点位于叶片内,则软件会自动默认这个叶片的内部小封闭空间为要创建的体,即认为叶片内部是有流体经过的,这是不符合要求的;网格划分后虽然并未提示有洞,这时体2部分划出的网格只有单个叶片,如图5所示.通常在创建体之后,最好先检查该质心点是否满足被流体完全/淹没0,这是创建体的关键.由于该质心点是空间点,在三维图中的位置通常不好直接确定,此时可以把显示面的功能关闭,只打开显示线功能,并使模型调整到适当的角度,仔细观察.

  一般在造型无误的前提下,同时满足以上2条要点以后,符合要求的计算网格就能成功地划分出来.在实际创建体的过程中,对于构造简单的模型,如蜗壳可直接在其进口处接近对称地选2个基点、尾水管则在其出口处接近对称地选2个基点进行创建体,因为在进、出口附近没有其他实体,不会对质心点是否被/淹没0造成影响.而对于复杂的模型,应该先对质心点的位置做出大致的判断,这样有助于在适合的两个面上选点,使得由这2个基点产生的质心点能够被流体完全/淹没0,做到有的放矢.如转轮部分可以在下环上选一点,并在与该点相邻的叶片上选一点,这样就避免了质点不被流体淹没或落在其他实体上的可能.如果不作分析判断直接盲目地在转轮的上冠上选一点,然后在下环上再选另外一点,就很难保证这两点的质心一定被流体淹没;有可能位于叶片的表面或实体内部;也有可能位于转轮封闭空腔外部;从而也就很难保证所选的体是合适的,就有可能导致出现网格划分/有洞0等不成功的现象.

  另外,用表面创建体的方法也可解决上述/有洞0的问题.事实上,用两基点法创建体有时并不能准确地创建出所需要的体,它对于结构比较简单的部分(像尾水管等)创建体是比较快捷的,但对于结构和几何形状比较复杂的部分(像转轮)创建体就显示不出优势.笔者认为,对于结构和几何形状复杂的部分用表面法创建体,可以迅速解决/有洞0问题.

  2.4 应用实例

  实例1 按照上面对两基点法创建体的论述,笔者在分析了转轮内部结构以后,在封闭转轮内选2个基点,使其分别位于2个相邻叶片上,并且使其中一点位于前一个叶片的背面,另一点位于后一个叶片的正面;这样确保质心点位于封闭的空腔内,并被水完全淹没,如图6和图7所示.这样便满足了上面提出的2点要求.然后划分网格,结果显示成功,检查网格也符合要求,问题解决.

  实例2 本例静体部分体的创建用两基点法;动体(转轮即体2)部分体的创建用表面法.其中体2创建步骤如下:

  1)在体的创建界面里,点击用表面法创建体的图标,并选中/selected surfaces0;

  2)选取所要创建体的封闭的外表面,并将外表面全部选取,然后单击/确定0创建体;其中图8黑色部分为已被选择的单个表面;

  3)其余不变,点/comput0开始划分网格;

  4)结果显示网格划分成功,且符合要求,/有洞0问题也得到了解决.

  3 结论

  1)通过实例分析得出在造型正确的情况下,不能正确地创建体是出现/有洞0现象的主要原因.

  2)总结出用两基点法正确创建体的两条要点,这是解决有洞问题的关键.

  3)提出解决网格划分中有洞现象的另一种处理方法即表面法,它对迅速解决有洞问题比较有效.

  参考文献:

  [1] 齐学义.流体机械设计理论与方法[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

  [2] 肖玉红.混流式水轮机内水流的数值模拟及其CFD软件应用的研究[D].天津:天津大学,2008.

  [3] 李 昳,袁寿其,何朝辉.无堵塞泵叶轮三维贴体网格生成[J].机械工程学报,2002,38(2):104-107.

  [4] 王福军.计算流体动力学分析)))CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

  [5] 袁国勇.ANSYS网格划分方法的分析[J].现代机械,2009(6):59-60.

  [6] 高福顺,高占恒,梁学章.三角网格中的孔洞修补算法[J].吉林大学学报:理学版,2009,47(6):1182-1184.

  [7] 齐学义,扬 帆,刘在伦,等.微分法生成贴体坐标网格技术的研究[J].大电机技术,2000(4):36-39.

  [8] 金修宝,陈文亮,张 胜,等.有限元网格孔洞的自动填充算法[J].机械制造与自动化,2002(6):47-49.

  [9] 齐学义,赵 强,马慧萍,等.全蜗壳的非圆形断面水利设计及其CFD分析验证[J].兰州理工大学学报,2009,35(2):41-45.

  作者简介:齐学义(1945-),男,辽宁台安人,教授,博导.题的方法.

  收稿日期: 2010-07-07