關(guān)于fluent網(wǎng)格劃分的幾個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)

2017-02-07 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

關(guān)于網(wǎng)格的幾個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)fluent結(jié)果圖片1

盡管當(dāng)前出現(xiàn)了不少使用無(wú)網(wǎng)格方法的FEA及CFD代碼,但是網(wǎng)格劃分依然是大多數(shù)CAE工作者們最重要的工作任務(wù),對(duì)于高質(zhì)量網(wǎng)格生成的重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不過分。

但是如何生成高質(zhì)量的或更精細(xì)的網(wǎng)格呢?查看網(wǎng)格生成軟件所輸出的網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告是最基本的方式,使用者還需要對(duì)網(wǎng)格是否適用于自己的物理問題做出自己的判斷。

不幸的是,使用者對(duì)于“好網(wǎng)格”存在很多的誤區(qū)。如今已經(jīng)很難在工程學(xué)科中找到關(guān)于網(wǎng)格劃分方面的課程,數(shù)值算法在大多數(shù)工程學(xué)科中成了選修課程。因此,新生代CAE使用者對(duì)于網(wǎng)格在CAE系統(tǒng)中的工作機(jī)理方面的欠缺也不足為怪了。這里有5個(gè)最主要的誤區(qū):

誤區(qū)1:好的網(wǎng)格必須與CAD模型吻合

越來(lái)越多的CAE使用者來(lái)自于原來(lái)的設(shè)計(jì)人員,他們?cè)贑AD方面受到了良好的培訓(xùn),因此他們傾向于CAE模型體現(xiàn)所有的幾何細(xì)節(jié)特征,他們認(rèn)為更多的細(xì)節(jié)意味著計(jì)算結(jié)果能夠更加貼近于真實(shí)情況。

然而這種觀點(diǎn)是不正確的,好的網(wǎng)格是能夠解決物理問題,而不是順從CAD模型。

CAE仿真的目的是為了獲取物理量:應(yīng)力、應(yīng)變、位移、速度、壓力等。CAD模型應(yīng)當(dāng)是從物理對(duì)象中提取的。大量與物理問題不相干的或?qū)τ诜抡婺Ｐ陀绊戄^小的細(xì)節(jié)特征在建立CAD模型之前就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化。因此,了解所仿真的系統(tǒng)中的物理細(xì)節(jié)是最基本的工作任務(wù)。好的網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化CAD模型并且網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是基于物理模型進(jìn)行布置。

這意味著:只有在充分了解所要仿真的物理系統(tǒng)前提下才可能劃分出好的網(wǎng)格。

誤區(qū)2:好的網(wǎng)格一直都是好的

我們經(jīng)?？吹紺AE使用者花費(fèi)大量的心血在改變網(wǎng)格尺寸、拆解幾何及簡(jiǎn)化幾何上,以期能夠獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格。他們仔細(xì)的檢查網(wǎng)格生成軟件輸出的網(wǎng)格質(zhì)量報(bào)告,這是很有必要的。但是這事兒做得太過也不一定好,因?yàn)楹玫木W(wǎng)格也不一定永遠(yuǎn)都好,網(wǎng)格的好與壞,還取決于要仿真的物理問題。

例如,你生成了一套非常好的網(wǎng)格,其能夠很好的捕捉機(jī)翼的繞流,能夠很精確的計(jì)算各種力。但是當(dāng)你將流動(dòng)攻角從0°調(diào)整到45°,試問這網(wǎng)格還是好的網(wǎng)格嗎?很可能不是了。

好的網(wǎng)格總是與物理問題相關(guān)。當(dāng)你改變邊界條件、改變載荷、改變分析類型、改變流動(dòng)條件,好的網(wǎng)格也可能變成壞網(wǎng)格。

誤區(qū)3:六面體網(wǎng)格總比四面體網(wǎng)格好

很多老的書籍會(huì)說(shuō)六面體(四邊形)網(wǎng)格要比四面體(三角形)網(wǎng)格要好,同時(shí)告訴你說(shuō)引入四面體(三角形)網(wǎng)格會(huì)造成很大的數(shù)值誤差。一些情況下這種觀點(diǎn)是正確的,特別是15~20年前。

歷史上,人們熱衷于六面體網(wǎng)格,主要有以下原因:1)在當(dāng)時(shí),CFD求解器僅能使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;2)計(jì)算條件不允許使用大量網(wǎng)格,為了節(jié)省內(nèi)存和節(jié)省時(shí)間;3)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還不成熟。

在過去的幾十年里,大部分商用FEA及CFD求解器技術(shù)獲得的了極大的發(fā)展,對(duì)于絕大多數(shù)問題,利用六面體網(wǎng)格及四面體網(wǎng)格都能獲得相同的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)然,四面體網(wǎng)格通常需要更多的計(jì)算資源,但是其能在網(wǎng)格生成階段為使用者節(jié)省大量的時(shí)間。對(duì)于大多數(shù)工程問題,六面體網(wǎng)格在計(jì)算精度方面的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)不再存在了。

對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,如wind Turbine,泵或飛機(jī)外流場(chǎng)計(jì)算,六面體網(wǎng)格依然是首選的網(wǎng)格類型,主要原因在于:1)工業(yè)慣例;2)易于理解的物理情況(大多數(shù)使用者都知道應(yīng)當(dāng)如何對(duì)齊網(wǎng)格;3)對(duì)于這類幾何模型,存在專用的六面體網(wǎng)格生成工具。

然而,對(duì)于大多數(shù)FAE及CFD使用者,如果幾何模型稍微復(fù)雜一點(diǎn),則需要花費(fèi)大量的時(shí)間在六面體網(wǎng)格生成上,計(jì)算結(jié)果還不一定更好。計(jì)算所節(jié)省的時(shí)間相對(duì)于網(wǎng)格生成所花費(fèi)的時(shí)間,有時(shí)候顯得得不償失。

誤區(qū)4:自動(dòng)網(wǎng)格生成(automatic meshing)的方式不可能產(chǎn)生好的網(wǎng)格

當(dāng)軟件提供商在證明他的軟件是高端的時(shí)候(當(dāng)然價(jià)格通常也是高端的),他通常會(huì)告訴你說(shuō)他們的軟件允許手動(dòng)控制所有的操作參數(shù)。潛在意思就是說(shuō)只有手動(dòng)控制才能生成好的網(wǎng)格。

當(dāng)然,對(duì)于銷售員來(lái)講,好的網(wǎng)格需要手動(dòng)控制。但是對(duì)于工程師來(lái)說(shuō),他們需要理解這是一個(gè)誤導(dǎo):好的網(wǎng)格軟件應(yīng)當(dāng)擁有足夠的智能化以分析幾何模型:計(jì)算曲率、尋找縫隙、尋找小的特征、尋找毛刺邊、尋找尖角、擁有智能化的默認(rèn)設(shè)置等…

這些工作都應(yīng)當(dāng)是自動(dòng)網(wǎng)格工具的職責(zé)。對(duì)于大多數(shù)使用者來(lái)講,軟件應(yīng)當(dāng)對(duì)于輸入的幾何模型能夠獲取更多的信息以及更高的精度。因此,軟件應(yīng)該能夠提供更好的設(shè)置以獲取高質(zhì)量的網(wǎng)格。當(dāng)然,對(duì)于長(zhǎng)年累月使用相同的幾何模型及軟件的使用者來(lái)說(shuō),情況可能有所不同。這些使用者對(duì)于物理模型了解得非常清楚,而網(wǎng)格軟件卻沒辦法了解他們的物理問題,因此他們對(duì)手動(dòng)操作的需求更多,而且他們也能更好的駕馭手動(dòng)操作。

不管怎樣,對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量?jī)烧f(shuō),一個(gè)好的自動(dòng)網(wǎng)格軟件能夠給予無(wú)經(jīng)驗(yàn)的使用者更多的幫助。手動(dòng)控制主要是為一些對(duì)物理問題非常了解的有經(jīng)驗(yàn)的使用者提供的。

誤區(qū)5:好的網(wǎng)格其數(shù)量一定特別多

由于HPC資源很容易獲取,甚至一些學(xué)生都能進(jìn)行千萬(wàn)級(jí)別網(wǎng)格的CFD問題求解,因此在多數(shù)CAE使用者眼里,大數(shù)量的網(wǎng)格意味著高保真度。

這種看法并不完全正確。打個(gè)比方,在CFD計(jì)算中,如果使用者使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),則所有放置于粘性子層內(nèi)的網(wǎng)格都會(huì)失效,這不僅會(huì)浪費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間,也有可能會(huì)造成非物理解。特別對(duì)于LES模擬,過于西米的網(wǎng)格可能會(huì)造成打的誤差及非物理解。

精細(xì)的網(wǎng)格并不意味著好的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的目的是為了獲取離散位置的物理量。好的網(wǎng)格是為計(jì)算目的服務(wù)的網(wǎng)格,因此,當(dāng)你的計(jì)算結(jié)果具有以下特征時(shí):1)物理真實(shí);2)對(duì)于項(xiàng)目來(lái)講足夠精確,則你的網(wǎng)格已經(jīng)足夠好了。

另一個(gè)關(guān)于此誤區(qū)的例子在于大多數(shù)使用者習(xí)慣使用全3D模型。在他們的眼里,3D全模型是真實(shí)的。然而,當(dāng)問題對(duì)稱的時(shí)候,使用部分模型將會(huì)獲得更好的計(jì)算結(jié)果,因?yàn)閺?qiáng)制施加了對(duì)稱約束。當(dāng)問題是軸對(duì)稱的時(shí)候,使用2D計(jì)算模型往往能夠獲得比3D全模型更精確的結(jié)果。很多CAE新手沒有足夠的時(shí)間去完全理解仿真系統(tǒng)中的物理模型,因此很難對(duì)幾何模型進(jìn)行任何簡(jiǎn)化。

當(dāng)前,CAE計(jì)算結(jié)果依然依賴于網(wǎng)格。好的網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)具備以下特征:

1.能夠求解所研究的問題

2.具有求解器能夠接受的網(wǎng)格質(zhì)量

3.基于問題簡(jiǎn)化網(wǎng)格

4.適合項(xiàng)目要求

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