ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分中有洞問(wèn)題的分析

 摘要:在葉片式流體機(jī)械CFD數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分階段,用ANSYS ICEM生成網(wǎng)格時(shí)易出現(xiàn)/有洞0現(xiàn)象.通過(guò)不斷改變質(zhì)心點(diǎn)的位置,分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,探索解決葉片式流體機(jī)械CFD數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分時(shí)易出現(xiàn)/有洞0問(wèn)題的辦法.指出正確地創(chuàng)建體是解決這種問(wèn)題的關(guān)鍵;闡述如何正確地創(chuàng)建體,以及正確創(chuàng)建體的2種方法.經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證表明,2種創(chuàng)建體的方法對(duì)解決網(wǎng)格劃分中的/有洞0問(wèn)題很有效,能夠順利地生成符合數(shù)值計(jì)算所需要的網(wǎng)格.對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部分用兩基點(diǎn)法創(chuàng)建體比較快捷,對(duì)于結(jié)構(gòu)和幾何形狀復(fù)雜的部分用表面法創(chuàng)建體,可以迅速解決/有洞問(wèn)題.

  在進(jìn)行數(shù)值求解流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題時(shí),理論上對(duì)于一個(gè)給定的物理模型,在完成正確的實(shí)體造型后,只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作,便可以生成所需要的網(wǎng)格[1-3].但事實(shí)并非如此,多數(shù)進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬的初始計(jì)算者在對(duì)較復(fù)雜形狀過(guò)流通道劃分網(wǎng)格時(shí),常常會(huì)遇到/有洞的困擾,給數(shù)值模擬的順利進(jìn)行帶來(lái)了一定困擾和麻煩.

  鑒于上述情況,本文通過(guò)實(shí)例對(duì)造成網(wǎng)格劃分時(shí)易出現(xiàn)/有洞0問(wèn)題的原因進(jìn)行剖析,并對(duì)兩基點(diǎn)法創(chuàng)建體進(jìn)行重點(diǎn)研究,探索出解決葉片式流體機(jī)械CFD數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分時(shí)易出現(xiàn)/有洞問(wèn)題的方法.

  1 網(wǎng)格劃分的基本概念

  1.1 網(wǎng)格生成

  從概念上網(wǎng)格可以這樣生成:給定對(duì)應(yīng)物理域邊界坐標(biāo)的E、G值,然后通過(guò)邊界點(diǎn)連接2組坐標(biāo)線,交叉構(gòu)成內(nèi)部節(jié)點(diǎn).從某種意義上網(wǎng)格生成是一個(gè)邊值問(wèn)題:給定域R的邊界5R上的值E=Eb(x,y),G=Gb(x,y),然后求內(nèi)點(diǎn)的E=E(x,y),G=G(x,y)值,以物理(一般為直角坐標(biāo))坐標(biāo)(x,y)為自變量,曲線坐標(biāo)(E,G)為因變量.

  1.2 創(chuàng)建體

  ANSYS ICEM CFD是基于有限體積法進(jìn)行網(wǎng)格劃分的[4-5].為便于理解,本文把封閉的過(guò)流通道稱為空腔.在ICEM中有流體經(jīng)過(guò)的區(qū)域是通過(guò)創(chuàng)建合適的體來(lái)表示的,它是由實(shí)體模型組成的封閉空腔.在同一個(gè)模型中,各部分流體運(yùn)動(dòng)情況是不同的,所以需要?jiǎng)?chuàng)建不同的體.如水輪機(jī)中的轉(zhuǎn)輪、主軸是繞軸線旋轉(zhuǎn)的,為動(dòng)體;引水部分及尾水部分為靜止不動(dòng)的,則設(shè)為靜體.

  1.3 正確的網(wǎng)格顯示

  ANSYS ICEM CFD軟件在正確劃分出符合要求的貼體坐標(biāo)網(wǎng)格后[6-8],造型中的實(shí)體部分顯示是空的,而只顯示該部分實(shí)體與流體接觸的面網(wǎng)格(此時(shí),關(guān)閉體網(wǎng)格顯示功能則面網(wǎng)格顯示更清楚).例如:導(dǎo)葉在造型時(shí)為實(shí)體,在網(wǎng)格劃分后的模型中顯示是空的,如圖1所示.它可以用來(lái)檢查所劃分的網(wǎng)格是否符合計(jì)算域的要求.

  2 網(wǎng)格生成實(shí)例剖析及應(yīng)用

  本文實(shí)例模型為自行設(shè)計(jì)的HL120水輪機(jī),并在Pro/E中進(jìn)行實(shí)體造型,其三維造型的總體效果如圖2所示.

  2.1 有洞現(xiàn)象綜述

  在Pro/E中將上面完成的實(shí)體造型保存為wanzheng.step文件,并將該文件導(dǎo)入ANSYS ICEMCFD中,各部分創(chuàng)建面的情況是:進(jìn)口面、蝸殼面、座環(huán)面、活動(dòng)導(dǎo)葉面、固定導(dǎo)葉面、上冠面、下環(huán)面、葉片面、尾水管面及出口面,并在動(dòng)靜結(jié)合處建立了兩個(gè)耦合面.用兩基點(diǎn)法創(chuàng)建3個(gè)體,如圖1所示.創(chuàng)建體1(BODY1)所選的用于產(chǎn)生質(zhì)心點(diǎn)的兩個(gè)基點(diǎn)的位置在蝸殼進(jìn)口處;創(chuàng)建體3的兩個(gè)基點(diǎn)選在尾水管出口處;創(chuàng)建體2的兩個(gè)基點(diǎn)分別取在上冠和下環(huán)上,由這兩個(gè)基點(diǎn)生成的質(zhì)心點(diǎn)的位置在上冠的上側(cè).用適用性強(qiáng)的Tetra/mixed網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格[9],其結(jié)果彈出有洞提示對(duì)話框.

  2.2 有洞現(xiàn)象剖析

  相信大多數(shù)ICEM的使用者在網(wǎng)格化分中看到/Your geometry has a hole,do you want to re-pair it?0的有洞提示時(shí),第一反應(yīng)往往都是認(rèn)為網(wǎng)格劃分不成功,是自己的三維造型存在問(wèn)題;或認(rèn)為造型的某兩個(gè)面結(jié)合處尺寸不夠匹配、存在縫隙;或認(rèn)為葉片造型時(shí)某些面沒有被完全正確地切割;再加上某些三維造型軟件在顯示模型時(shí)存在著一定的失真現(xiàn)象等.總之,由于各種因素的摻雜,使造成/有洞0的真正原因何在判斷不清,所以便盲目地反復(fù)審查、修改三維實(shí)體模型.但當(dāng)模型修改并確認(rèn)無(wú)誤后重新劃分網(wǎng)格時(shí),/有洞0的現(xiàn)象依然存在.當(dāng)點(diǎn)擊提示對(duì)話框的/是0以后,窗口顯示的界面如圖3所示.此時(shí)整個(gè)模型是用線條表示的,并多出了一條連接/ORFN0的線,它的另一端連接著體2,并注意到此時(shí)信息窗口出現(xiàn)下面的提示,/material point OR-FN/-1 can reach material point body 20.

  分析是否是所建的體有問(wèn)題.首先刪除體1,即相當(dāng)于不建立體1,其余不變重新劃分網(wǎng)格,仍然提示/有洞0;然后恢復(fù)體1,刪除體2,其他不變重新劃分網(wǎng)格,有洞現(xiàn)象消除,結(jié)果如圖4所示.在檢查網(wǎng)格劃分情況時(shí)發(fā)現(xiàn),所畫出的網(wǎng)格不是所需要的,可看出整個(gè)動(dòng)體部分即轉(zhuǎn)輪部分并未劃分網(wǎng)格,可能是體2有問(wèn)題.為驗(yàn)證體2是否有問(wèn)題,重新恢復(fù)體2,刪除體3;結(jié)果又彈出有洞提示對(duì)話框,說(shuō)明體2確實(shí)存在問(wèn)題.

  出現(xiàn)有洞提示的原因是體2創(chuàng)建不合適,那么接下來(lái)的問(wèn)題是怎樣正確地創(chuàng)建出體2.實(shí)際操作中,通過(guò)不斷地改變這2個(gè)基點(diǎn)的位置(這樣由這兩個(gè)基點(diǎn)產(chǎn)生的質(zhì)心點(diǎn)的位置也不同)來(lái)分析研究對(duì)網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的影響:

  1)在上冠表面和下環(huán)表面分別選一點(diǎn),質(zhì)心點(diǎn)位于上冠線的上側(cè),結(jié)果提示/有洞0;

  2)在上冠表面和下環(huán)表面分別再重新選一點(diǎn),并觀察質(zhì)心點(diǎn)的位置,它處于轉(zhuǎn)輪內(nèi)并在葉片上,結(jié)果沒有彈出/有洞0提示,表明網(wǎng)格劃分成功;但檢查整個(gè)轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格劃分情況時(shí)發(fā)現(xiàn),只有在一個(gè)單葉片上劃有網(wǎng)格,其余葉片上都沒有網(wǎng)格,如圖5所示,說(shuō)明所劃出的網(wǎng)格不符合要求;

  3)仍在上冠表面和下環(huán)表面再分別選一點(diǎn),并使質(zhì)心點(diǎn)處在封閉轉(zhuǎn)輪內(nèi)部且不位于葉片上,結(jié)果有洞現(xiàn)象消除,檢查網(wǎng)格劃分情況,網(wǎng)格劃分成功,完全符合要求;

  4)在上冠及耦合面2(即轉(zhuǎn)輪出口與尾水管入口的交界面)上分別選一點(diǎn),質(zhì)心點(diǎn)位于上冠的上側(cè),不在封閉轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部,結(jié)果顯示有洞;

  5)再在上冠及耦合面2上分別選一點(diǎn),質(zhì)心點(diǎn)位于上冠的下側(cè),在封閉轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部,并且不處在任何實(shí)體內(nèi),結(jié)果網(wǎng)格劃分成功且符合要求;

  6)在葉片上創(chuàng)建一點(diǎn),在葉片臨近的下環(huán)處創(chuàng)建另外一點(diǎn),這樣質(zhì)心點(diǎn)位于封閉的轉(zhuǎn)輪內(nèi),并且不在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的任何模型實(shí)體上,結(jié)果網(wǎng)格劃分成功且符合要求.

  2.3 有洞處理方法

  從上述操作實(shí)例中可以看出,由于所選的2個(gè)基點(diǎn)的位置不同,使得質(zhì)心點(diǎn)的位置也不同,從而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分出現(xiàn)了不同的情況.分析上述各種情況,不難得出處理有洞問(wèn)題的方法:

  1)要保證所選的2個(gè)基點(diǎn)在所要建體的封閉模型的面上,即所選的2個(gè)基點(diǎn)必須在圍成同一個(gè)空腔的封閉表面上(不一定必須是外表面),且不能越過(guò)耦合面,這個(gè)封閉的空腔一般是在造型時(shí)就已經(jīng)完成的;

  2)應(yīng)使這2個(gè)基點(diǎn)的質(zhì)心點(diǎn)位于空腔內(nèi),就是當(dāng)封閉空腔內(nèi)充滿流體時(shí)該質(zhì)心點(diǎn)應(yīng)該完全被流體/淹沒0.這里完全淹沒是指該質(zhì)心點(diǎn)不能與實(shí)體模型的任何一個(gè)面有接觸,更不能位于任一個(gè)實(shí)體內(nèi).例如:葉片是轉(zhuǎn)輪封閉空腔內(nèi)的實(shí)體,若該質(zhì)心點(diǎn)位于葉片內(nèi),則軟件會(huì)自動(dòng)默認(rèn)這個(gè)葉片的內(nèi)部小封閉空間為要?jiǎng)?chuàng)建的體,即認(rèn)為葉片內(nèi)部是有流體經(jīng)過(guò)的,這是不符合要求的;網(wǎng)格劃分后雖然并未提示有洞,這時(shí)體2部分劃出的網(wǎng)格只有單個(gè)葉片,如圖5所示.通常在創(chuàng)建體之后,最好先檢查該質(zhì)心點(diǎn)是否滿足被流體完全/淹沒0,這是創(chuàng)建體的關(guān)鍵.由于該質(zhì)心點(diǎn)是空間點(diǎn),在三維圖中的位置通常不好直接確定,此時(shí)可以把顯示面的功能關(guān)閉,只打開顯示線功能,并使模型調(diào)整到適當(dāng)?shù)慕嵌?仔細(xì)觀察.

  一般在造型無(wú)誤的前提下,同時(shí)滿足以上2條要點(diǎn)以后,符合要求的計(jì)算網(wǎng)格就能成功地劃分出來(lái).在實(shí)際創(chuàng)建體的過(guò)程中,對(duì)于構(gòu)造簡(jiǎn)單的模型,如蝸殼可直接在其進(jìn)口處接近對(duì)稱地選2個(gè)基點(diǎn)、尾水管則在其出口處接近對(duì)稱地選2個(gè)基點(diǎn)進(jìn)行創(chuàng)建體,因?yàn)樵谶M(jìn)、出口附近沒有其他實(shí)體,不會(huì)對(duì)質(zhì)心點(diǎn)是否被/淹沒0造成影響.而對(duì)于復(fù)雜的模型,應(yīng)該先對(duì)質(zhì)心點(diǎn)的位置做出大致的判斷,這樣有助于在適合的兩個(gè)面上選點(diǎn),使得由這2個(gè)基點(diǎn)產(chǎn)生的質(zhì)心點(diǎn)能夠被流體完全/淹沒0,做到有的放矢.如轉(zhuǎn)輪部分可以在下環(huán)上選一點(diǎn),并在與該點(diǎn)相鄰的葉片上選一點(diǎn),這樣就避免了質(zhì)點(diǎn)不被流體淹沒或落在其他實(shí)體上的可能.如果不作分析判斷直接盲目地在轉(zhuǎn)輪的上冠上選一點(diǎn),然后在下環(huán)上再選另外一點(diǎn),就很難保證這兩點(diǎn)的質(zhì)心一定被流體淹沒;有可能位于葉片的表面或?qū)嶓w內(nèi)部;也有可能位于轉(zhuǎn)輪封閉空腔外部;從而也就很難保證所選的體是合適的,就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)格劃分/有洞0等不成功的現(xiàn)象.

  另外,用表面創(chuàng)建體的方法也可解決上述/有洞0的問(wèn)題.事實(shí)上,用兩基點(diǎn)法創(chuàng)建體有時(shí)并不能準(zhǔn)確地創(chuàng)建出所需要的體,它對(duì)于結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的部分(像尾水管等)創(chuàng)建體是比較快捷的,但對(duì)于結(jié)構(gòu)和幾何形狀比較復(fù)雜的部分(像轉(zhuǎn)輪)創(chuàng)建體就顯示不出優(yōu)勢(shì).筆者認(rèn)為,對(duì)于結(jié)構(gòu)和幾何形狀復(fù)雜的部分用表面法創(chuàng)建體,可以迅速解決/有洞0問(wèn)題.

  2.4 應(yīng)用實(shí)例

  實(shí)例1 按照上面對(duì)兩基點(diǎn)法創(chuàng)建體的論述,筆者在分析了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)以后,在封閉轉(zhuǎn)輪內(nèi)選2個(gè)基點(diǎn),使其分別位于2個(gè)相鄰葉片上,并且使其中一點(diǎn)位于前一個(gè)葉片的背面,另一點(diǎn)位于后一個(gè)葉片的正面;這樣確保質(zhì)心點(diǎn)位于封閉的空腔內(nèi),并被水完全淹沒,如圖6和圖7所示.這樣便滿足了上面提出的2點(diǎn)要求.然后劃分網(wǎng)格,結(jié)果顯示成功,檢查網(wǎng)格也符合要求,問(wèn)題解決.

  實(shí)例2 本例靜體部分體的創(chuàng)建用兩基點(diǎn)法;動(dòng)體(轉(zhuǎn)輪即體2)部分體的創(chuàng)建用表面法.其中體2創(chuàng)建步驟如下:

  1)在體的創(chuàng)建界面里,點(diǎn)擊用表面法創(chuàng)建體的圖標(biāo),并選中/selected surfaces0;

  2)選取所要?jiǎng)?chuàng)建體的封閉的外表面,并將外表面全部選取,然后單擊/確定0創(chuàng)建體;其中圖8黑色部分為已被選擇的單個(gè)表面;

  3)其余不變,點(diǎn)/comput0開始劃分網(wǎng)格;

  4)結(jié)果顯示網(wǎng)格劃分成功,且符合要求,/有洞0問(wèn)題也得到了解決.

  3 結(jié)論

  1)通過(guò)實(shí)例分析得出在造型正確的情況下,不能正確地創(chuàng)建體是出現(xiàn)/有洞0現(xiàn)象的主要原因.

  2)總結(jié)出用兩基點(diǎn)法正確創(chuàng)建體的兩條要點(diǎn),這是解決有洞問(wèn)題的關(guān)鍵.

  3)提出解決網(wǎng)格劃分中有洞現(xiàn)象的另一種處理方法即表面法,它對(duì)迅速解決有洞問(wèn)題比較有效.

  參考文獻(xiàn):

  [1] 齊學(xué)義.流體機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2008.

  [2] 肖玉紅.混流式水輪機(jī)內(nèi)水流的數(shù)值模擬及其CFD軟件應(yīng)用的研究[D].天津:天津大學(xué),2008.

  [3] 李 昳,袁壽其,何朝輝.無(wú)堵塞泵葉輪三維貼體網(wǎng)格生成[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002,38(2):104-107.

  [4] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析)))CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

  [5] 袁國(guó)勇.ANSYS網(wǎng)格劃分方法的分析[J].現(xiàn)代機(jī)械,2009(6):59-60.

  [6] 高福順,高占恒,梁學(xué)章.三角網(wǎng)格中的孔洞修補(bǔ)算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):理學(xué)版,2009,47(6):1182-1184.

  [7] 齊學(xué)義,揚(yáng) 帆,劉在倫,等.微分法生成貼體坐標(biāo)網(wǎng)格技術(shù)的研究[J].大電機(jī)技術(shù),2000(4):36-39.

  [8] 金修寶,陳文亮,張 勝,等.有限元網(wǎng)格孔洞的自動(dòng)填充算法[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2002(6):47-49.

  [9] 齊學(xué)義,趙 強(qiáng),馬慧萍,等.全蝸殼的非圓形斷面水利設(shè)計(jì)及其CFD分析驗(yàn)證[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(2):41-45.

  作者簡(jiǎn)介:齊學(xué)義(1945-),男,遼寧臺(tái)安人,教授,博導(dǎo).題的方法.

  收稿日期: 2010-07-07