ANSYS Fluent網(wǎng)格劃分技術(shù)

2020-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

計算流體動力學(xué) (CFD) 求解器使用高度正交網(wǎng)格,更加高效,但是幾何形狀的復(fù)雜性正在逐步增加,在不規(guī)則幾何形狀上實現(xiàn)正交性可能很困難。每種元素類型都有其優(yōu)點和缺點,CFD 網(wǎng)格劃分技術(shù)在過去四十年中不斷發(fā)展,使用最適合特定應(yīng)用空間的不同類型元素。工程師希望為幾何形狀和體積的每個區(qū)域匹配最佳網(wǎng)格元素,但在這些區(qū)域之間建立過渡還是有一定的困難。因此,他們可以讓元素類型數(shù)量少于最佳數(shù)量,以便將時間和精力減少到可接受的限度。

六面體元素

在 CFD 開發(fā)早期,幾何形狀相對簡單,六面體或四邊形元素是主要的元素選擇。從計算時間的角度來看,六面體網(wǎng)格非常有效,并且也非常準(zhǔn)確。六面體網(wǎng)格的問題在于它們不適合復(fù)雜的幾何形狀,特別是在表征邊界流動時。

四面體/楔形元素隨著幾何形狀變得更加復(fù)雜,CFD 社區(qū)轉(zhuǎn)向自動非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其邊界層由分層棱柱元素捕捉,大塊幾何形狀使用四面體元素填充。直到大約十年前,四面體網(wǎng)格都是業(yè)內(nèi)最常見的 CFD 方法。盡管四面體網(wǎng)絡(luò)自動生成十分簡單,但是精確度一直存在問題。求解器的改進(jìn)部分解決了精確度的問題。但是,若要通過四面體元素在邊界層和小間隙中實現(xiàn)精確度和良好覆蓋,就需要大量的單元格,這會增加計算時間要求。

Hexcore 網(wǎng)格

即使在四面體元素是最常見的網(wǎng)格劃分解決方案的時候,分析師依然需要六面體元素的精確度和效率,前提是可以在不回歸為手動網(wǎng)格劃分的情況下生成這些元素。為了滿足這一需求,Hexcore 網(wǎng)格劃分方法于 2005 年左右出現(xiàn)了一些進(jìn)展。Hexcore 通過八叉樹六面體網(wǎng)格填充大塊流體幾何形狀,同時在邊界處保持分層棱柱元素,用四面體元素填充過渡空間。通過從全尺寸六面體元素轉(zhuǎn)換為八個元素(稱為八叉樹 1:8 尺寸減少),改進(jìn)六面體元素處理復(fù)雜幾何形狀的能力,以適應(yīng)元素尺寸的變化。較小的六面體元素的內(nèi)部節(jié)點不與較大元素中的節(jié)點對齊,因此它們被稱為懸掛節(jié)點。這些網(wǎng)格很快被用于多種應(yīng)用程序,包括賽車的外部空氣動力學(xué)設(shè)計。Hexcore 網(wǎng)格劃分的問題在于四面體元素的數(shù)量較多,邊界附近分層元素和大塊區(qū)域中的八叉樹六面體元素之間的小型過渡區(qū)域中的元素質(zhì)量較低,無法達(dá)到要求。這延長了計算時間,對 RAM 和存儲空間的消耗也較大。

ploy-多面體網(wǎng)格

2010 年前后,廣義多面體元素開始在許多 CFD 應(yīng)用中獲得關(guān)注。多面體元素的最初發(fā)展原因是,其要求有一部分單元格作為四面體元素,因此總體來看消耗的內(nèi)存和計算時間都會減少。多面體元素也具有許多鄰域,因此梯度近似優(yōu)于四面體元素,盡管梯度算法的使用似乎削減了這種優(yōu)勢。更多鄰域意味著有更多表面,每個單元格也就需要更多計算操作。多面體元素也提供與四面體元素相同的自動網(wǎng)格劃分功能。最初,多面體元素為 CFD 創(chuàng)建了外觀出色但并非理想的元素。ANSYS 開發(fā)出了一種原生多面體網(wǎng)格,可生成具有平坦零扭曲內(nèi)表面的高質(zhì)量元素。單元格是正交的——相鄰單元格中心向量與共面法線對齊。這些網(wǎng)格在邊界上具有分層的多面體棱柱,可以有效地捕獲非滑動壁上的邊界層。

Mosaic 技術(shù)

ANSYS Fluent網(wǎng)格劃分技術(shù)fluent分析圖片1

Mosaic 網(wǎng)格劃分技術(shù)通過多面體元素,共形地連接大塊區(qū)域中的六面體元素和邊界層中的各向同性元素

ANSYS Fluent 開發(fā)人員研究了 CFD 網(wǎng)格劃分的總體情況,注意到六面體元素因其精確度和效率而受到廣泛歡迎,同時多面體元素的優(yōu)勢是非常適合復(fù)雜幾何形狀,提供比四面體元素更高的效率。他們思考能否通過結(jié)合兩種類型的元素,同時維持自動網(wǎng)格生成,滿足用戶的需要。最終,ANSYS 開發(fā)出 Mosaic 技術(shù)(正在申請專利),可一致地將任何類型的網(wǎng)格連接到其他類型網(wǎng)格,從而創(chuàng)建最優(yōu)網(wǎng)格,在網(wǎng)格的每個部分使用最佳類型元素。Mosaic 技術(shù)允許原生多面體網(wǎng)格與以下元素類型連接:?表面:三角形、四邊形、多邊形。?體積:六面體、四面體、錐體、棱柱。從 ANSYS 19.2 開始,Fluent 將提供一種完全自動化的方式,以更快的速度獲得更高質(zhì)量的結(jié)果,與目前可用的任何其他網(wǎng)格劃分技術(shù)相比,具有最好的網(wǎng)格質(zhì)量和內(nèi)存組合。Poly-Hexcore 是首款 Mosaic 技術(shù)應(yīng)用程序,可通過八叉樹六面體填充大塊區(qū)域,在邊界層中保留高質(zhì)量的分層多棱柱網(wǎng)格,并將這兩種網(wǎng)格與一般多面體元素一致連接。平均來看,與廣義多面體元素相比,六面體單元的面更少,這減少了計算時間、內(nèi)存及磁盤空間要求。在 Mosaic 技術(shù)中用作連接體的多面體元素在不同類型的網(wǎng)格之間提供高質(zhì)量的過渡,因此其保留了以前多面體生成的高品質(zhì)特點。

ANSYS Fluent網(wǎng)格劃分技術(shù)fluent分析圖片2

即使在渦輪葉片的亞毫米通孔中,Mosaic 技術(shù)也能生成高質(zhì)量網(wǎng)格

與 Hexcore 或相同精確度的廣義多面體網(wǎng)格相比,使用基于 Mosaic 技術(shù)由 Poly-Hexcore 創(chuàng)造的網(wǎng)格進(jìn)行的 CFD仿真在 Fluent 中的速度加快了 20% 到 50%。這種新方法可在笛卡爾坐標(biāo)軸對齊的八叉樹六面體上部署特殊的數(shù)字計算方法,從而使得進(jìn)一步提高求解器速度和精確度成為可能。此外,與使用廣義多面體元素填充整個體積相比,這種方法的網(wǎng)格生成速度更快。最后,Mosaic 技術(shù)保持了全自動網(wǎng)格劃分的速度和便利性。

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