CFD 划分非结构网格

CFD为用户提供了强大的自动划分四面体网格的功能。这个功能将几何模型自动划分成非 结构化网格，适用于复杂模型，并能够在解的基础上适应网格。但是这个网格划分方法也存在一些缺 陷，需要用户在使用这个功能划分网格的时候加以注意。四面体网格通常填充体积效率不会很高，每 一个网格上的节点属于更多的单元，并且各向同性细化(对于边界层来说不是很好),这些网格与六面 体网格相比，一般质量要差一些。以下是利用ICEM CFD的自动划分网格的具体步骤。

1.自动网格算法

ICEM CFD为用户提供了3种划分网格的方法，包括、阵面推进法和前沿推进法，其具体 介绍如下。

(1)算法。

算法是ICEM CFD最重要的生成四面体网格的算法。绝大多数四面体网格是在生成三角形 面网格后，基于面网格生成体网格。这种算法的困难在于细长表面、缝隙等模型的局部细节处理难度 较大。而算法首先生成独立的体网格，然后进行网格调整，将网格映射到面、线和点上。网格 与几何模型表面局部细节能按需求处理，可以选择捕捉局部细节，也可以忽略局部细节，如图1 所示。

图1 利用算法划分网格并捕捉细节

(2)快速阵面推进算法。

使用这种方法可以得到非常有效的网格， 生成的网格没有使用前沿推进方法生成的网格 平滑，这种方法可能会出现稳定性的问题，特 别是在初始化的阶段，会存在非常扭曲的网格 元素，一种折衷的方法是用前沿推进方法生成 内部的点，这样可以得到更平滑的网格，可以 被用来产生非结构化的网格。如果已经有质量 较好的表面网格，那么从表面网格开始(即从 八叉树或者从导入的部分面网格)开始划分。

(3) (前沿推进)光顺算法。

对边界进行离散化(如在二维空间里用一组多边形来近似),这就是最初的前沿。在区域内加入三 角形或四边形，并且加入的三角形或四边形中至少有一条边与前沿重合。在每一步中需要更新前沿。当不再有新的前沿留下时，网格的生成也就完成了。这种方法要求整个区域的边界是封闭的，但是对于边界不封闭的区域，前沿也可以被推进，直到前沿和区域的距离相等为止。虽然前沿推进方法的实 现思想很简单，但实现这一方法的细节很复杂，并且生成网格所花费时间较多且不稳定。

该方法生成网格的速度和阵面推进的一样快，但是使用阵面推进法是从表面向内部推进网格，主 要利用GE/CFX的算法，其网格尺度变化更加渐进、更精细，表面网格质量必须相当高，才能够自适应检查，并填充小缝隙。图2所示为以上3种网格划分方法划分网格结果的比较。

图2 种网格划分方法的比较

2.网格类型

用户采用ICEM CFD自动划分网格时，可采用3种网格划分方式。

(1)四面体/混合网格。

四面体混合网格是使用较为普遍的一种网格划分方法，其主要采用四面体网格，还可以带有部分六面体核心网格和棱柱层网格，图3所示为3种网格类型的比较。

图3 不同网格类型的比较

将四面体、棱柱层与结构六面体网格合并的混合网格。

(2)六面体为主的网格。

(3)笛卡尔网格。

采用纯六面体自动进行网格划分。

具有体适应的特点。

是快速创建体网格的方法。

使用六面体为主的网格和笛卡尔网格划分方法对同一几何模型进行网格划分后的效果比较如图4所示。

图4 同一个几何体不同分网方法的比较

3.全局网格参数

采用四面体划分网格时，用户首先可以对整个模型进行全局参数设置，对几何模型进行初略的网 格分布设置。单击

按钮，弹出如图5所示的面板。

(1)设置全局比例参数。

图5 全局网格比例参数设置

图5中的全局参数主要包括两个。

(2)设置面网格全局参数。单击

按钮，可弹出如图6所示的面板，在这个面板中，用户可以对所选择的面进行参数设置(覆盖前面的设定值，即修改之前所设置的全局参数)。在这一操作中，用户需要设定平面上的网格 划分类型，主要有3种。

4.局部网格控制

(1)在面上进行局部网格控制。

单击

按钮，可以弹出如图7所示的面板。用户可以通过选定相关的实体面来进行局部网格 参数的设置。

首先从右边的视图窗口中选择相关的实体面，然后设置尺寸参数，局部面网格参数设置将会覆盖 赋予该面上的全局网格参数设置。假如在Part网格参数设置后修改面网格参数，则面网格划分也会覆盖原先通过Part对该面进行的网格参数设置。

用户还可以右键单击模型树，选择/Hexa ,视图窗口中将会在每个面上显示网格大小图 标，从而为用户提供一个直观的最大尺寸的网格视图。

(2)在线上进行局部网格控制。

单击

按钮，弹出如图8所示的面板。

图6 全局网格参数设置

图7 局部网格参数设置

图8 曲线网格参数设置

具体操作步骤如下。

①单击 (s)右侧的按钮，然后选择需要划分网格的曲线。

②设置曲线上最大网格的尺寸以及节点数目。

③若用户需要在曲线附近设置边界层，那么需要在Num.of 数值框中输入相应的层数。

④在 选项组中，用户可以设置曲线上网格的具体参数，包括均匀性(如均匀 网格和指数型增长网格等)、具体网格间距以及增长率等。

⑤单击按钮即可完成对特定的曲线的局部网格尺寸的设置。

(3)在Part Mesh 对话框中进行局部网格控制。用户除了可以对所建模型进行全局网格参数设定之外，为了使部分区域的网格与整体模型的网格不同，还可以通过局部网格参数设置来对不同的区域进行设置。用户可以在Part里进行局部网格设定，还能对相关的线和面进行网格设定。

在Part里进行局部网格设置的方法如下。

单击

按钮，弹出如图10所示的对话框。在这个对话框中，用户可以对模型的Part进行局部 网格数量的设定。

图9 设置Part部件网格参数

上面的对话框中将会出现用户所创建的模型的所有Part部分。

max.size这个值乘以前面设定的全局比例尺寸的因子就等于实际网格的尺寸，通常软件会为用户 自行计算一个值。用户需要自行设置该参数才能实现局部网格的不同划分。

假如用户希望在曲线上生成四边形的层(如孔周围的网格),则应该设置下列参数。

此外，用户在设定局部网格参数时，还应该勾选   to 复选框，以将上述设置应用到相应的曲线和面上。

5.用密度盒进行局部加密

所谓的密度盒加密是指用一定大小的网格填充体区域，例如，在机翼尾迹设定这样的区域。若用 户在一个固定的区域内进行网格加密，那么需要创建一个盒子(用户需要指定这个区域的边界顶点), 这样即可在这个固定的区域中进行网格加密。实际上在进行密度盒局部网格加密时，可以不存在任何 实际的几何模型(如圆柱)。网格节点不限制在密度盒表面，加密的网格也可以与几何体表面相交，并在密度盒内创建网格。

单击

按钮，弹出如图10所示的面板，具体操作步骤如下。

(1)设置密度盒名字。

(2)设置Size。

(3)乘以比例因子()。

(4)设置网格生长比率()。

(5)设置密度盒内填充网格的层数()。

(6)选择密度盒类型(Type)。

(7)用2～8个位置的点(2点为圆柱状)圈定密度盒区域。

(8)用所选对象的边界作为密度盒。

(9)单击按钮，完成密度盒加密，如图11所示。

图10 创建密度盒面板

图11 使用密度盒加密网格

6.运行算法

设定所需的网格参数之后，用户即可计算出所使用的模型的网格。

单击

，即可弹出如图12所示的网格计算面板。具体操作步骤如下。

(1)设置网格类型。模型体网格主要分为四面体/混合网格、六面体为主的网格以及笛卡尔网格等类型。

图11 网格计算面板

对于初始的几何模型，用户应使用四面体/混合网格来对体进行网格划分。

如果用户选择通过网格划分来创建棱柱层网格，则应该先进行模型部件的网格设置，在四面体网格完成后立即开始，并在现有的四面体网格上生成。

如果用户选择创建六面体核心网格，那么ICEM在划分网格时将保留表面网格(或棱柱层),放弃 原来的四面体网格，并采用迪卡尔网格填充体内部，采用金字塔形过渡。

(2)选择网格划分算法。用户可选择 作为网格划分的算法。

(3)设置需要进行网格划分的几何体结构。

(4)单击按钮即可实现对网格划分的设置。

7.查看网格切面图

ICEM CFD允许用户对已经划分好的网格进行预览，以检查已经划分好的网格。有两种方 法供用户使用，一种是使用切面的方法检查网格的类型和大小，另一种是检查网格的具体质量。右键单击目录树中的Mesh,在弹出的快捷菜单中选择Cut / 命令或选择菜单栏 中的Veiw/mesh cut 命令。使用上述任意一种方法都会弹出如图12所示的面板，单击 按钮即可在右边的视图窗中看到相应的切面网格，如图13所示。

图12 网格切面面板

图13 网格切面显示

8.网格质量检查

ICEM CFD为用户提供了非常全面的网格质量检查评判标准，包括、、   of    等，供用户检测不同类型的网格时选择。

单击

按钮，可弹出如图14所示的网格质量检查面板，用户可以利用该面板诊断模型所划分 的网格的单个单元的质量。选定相应的要检查的模型之后，单击按钮即可出现如图15所示 的网格质量直方图。

图14 网格质量检查面板

图15 网格质量直方图

用户也可以通过自定义质量的方法来对所划分的网格进行检查，选择图16中下拉列表中的 ,进而对四边形网格和三角形网格的质量进行定义，用户可以从以下几方面进行设置。

设置完这些参数之后，单击按钮，相应地也会在操作界面的右下方出现如图15所示的所检查的网格的质量直方图。

直方图的x轴表示网格的质量范围，通常最大是1(最理想的网格)，最小是0(质量最差的网格)。y轴表示某个质量范围内的数量最多的单元数。在直方图的图标区域单击鼠标右键，然后在弹出的快捷菜单中选择Show命令即可在视图窗中看见相对应的质量的网格在模型中的具体分布位置。在模型树中处右键单击，之后在弹出的快捷菜单中选择显示选项( by )，即在视图窗中看见如图17所示的模型网格质量光谱分布，从红色(最差)到蓝色(最理想),并且同时给出相应的网格的数量和质量范围。

图16 网格的质量直方图

图17 网格质量光谱分布

9.网格光顺化

由于用户初始划分的网格通常比较粗糙，因此网格的质量一般不会很高，这时需要对质量不高的 那一部分网格进行光顺改进。ICEM CFD的功能允许用户修复和改善所有的单元网格，并可以 引入几何体或者移动网格的节点来达到改善网格质量的目的(自动调整节点限制投影到几何体上，曲 线上的节点只可以在曲线上移动),网格质量改善之后，网格柱状图会自动显示/更新。

(1)功能。

采用混合网格算法的网格初始时由直角四面体组成，使用功能能提高网格质量。在结束网格划分后进行Edit Mesh/ Mesh 操作即可完成对相应网格的光顺处理。图18所示为对网格采用功能的前后效果对比。

图18 网格光顺效果对比

(2) 。

通常将八叉树(算法)网格细分(一般是 一分为二)，并且能用方法实现更为平滑的 网格过渡。图19所示为采用 对 网格进行光顺的前后效果对比。

单击

按钮，弹出如图20所示的   面板。

图19 光顺后的网格效果对比

图20 光顺网格参数设置面板

为完成网格的光顺工作，用户需要进行如下操作。

①设定(标准)，例如，选择之前提到的网格夹角等。

②设置 Mesh Type(光顺网格类型)。

③设置 /(光顺/子集)。

④设定 (高级选项),勾选 复选框。

(拉普拉斯光顺法)是相对于邻近的网格单元设置更加统一的网格尺寸。建议只对三角形使用。光顺四面体时，取消勾选此复选框，建议这项功能在生成三棱柱之前使用。

⑤单击按钮即可完成网格光顺参数的设置。

10.其他网格控制选项

(1)基于曲率细分网格。

在用户进行网格划分时，ICEM可以自动对网格进行细分以捕捉几何体细部特征。细分的网格小 于表面设定的网格，可以基于几何模型的线的曲率进行网格划分。

进行/   操作，弹出如图21所示的面板。

用户可按照下列步骤进行设置。

①设置Min size ，这个值需要与 相乘作为网格细分的下限。主要用于几何形状 确定的网格，避免了对每一对象设定网格参数。

②设置,表示沿圆布置的网格数量，这是为了避免网格被细分达到极细的地步，进而造成网格数量极其大，即沿圆布置的网格数量达到设定值后即停止增长。

图21   Mesh 面板

图22 为12时网格效果

(2)缝隙网格细分。

(3)周期性边界网格。

定义周期性边界条件( )是在周期性面上强行进行节点对齐。用户可以只取对称 的几何模型的一个周期进行网格划分和求解。

单击

按钮，弹出周期性网格参数设置面板，如图23所示。在该面板中可以设置周期性网格 的周期类型，ICEM中的几何周期分为两类。

图24所示为利用周期网格对圆盘进行划分的结果，从图24中可以看见，我们只需要对圆盘的1/12进行网格划分即可，在划分周期性边界网格时，用户应把材料点放在近中间面。

图23 设置周期性网格参数

图24 周期性网格

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