關于fluent網格劃分的幾個認識誤區

2017-02-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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盡管當前出現了不少使用無網格方法的FEA及CFD代碼,但是網格劃分依然是大多數CAE工作者們最重要的工作任務,對于高質量網格生成的重要性怎么強調都不過分。

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

不幸的是,使用者對于“好網格”存在很多的誤區。如今已經很難在工程學科中找到關于網格劃分方面的課程,數值算法在大多數工程學科中成了選修課程。因此,新生代CAE使用者對于網格在CAE系統中的工作機理方面的欠缺也不足為怪了。這里有5個最主要的誤區:

誤區1:好的網格必須與CAD模型吻合

越來越多的CAE使用者來自于原來的設計人員,他們在CAD方面受到了良好的培訓,因此他們傾向于CAE模型體現所有的幾何細節特征,他們認為更多的細節意味著計算結果能夠更加貼近于真實情況。

然而這種觀點是不正確的,好的網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:應力、應變、位移、速度、壓力等。CAD模型應當是從物理對象中提取的。大量與物理問題不相干的或對于仿真模型影響較小的細節特征在建立CAD模型之前就應當進行簡化。因此,了解所仿真的系統中的物理細節是最基本的工作任務。好的網格應當簡化CAD模型并且網格節點是基于物理模型進行布置。

這意味著:只有在充分了解所要仿真的物理系統前提下才可能劃分出好的網格。

誤區2:好的網格一直都是好的

我們經常看到CAE使用者花費大量的心血在改變網格尺寸、拆解幾何及簡化幾何上,以期能夠獲得高質量的網格。他們仔細的檢查網格生成軟件輸出的網格質量報告,這是很有必要的。但是這事兒做得太過也不一定好,因為好的網格也不一定永遠都好,網格的好與壞,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格,其能夠很好的捕捉機翼的繞流,能夠很精確的計算各種力。但是當你將流動攻角從0°調整到45°,試問這網格還是好的網格嗎?很可能不是了。

好的網格總是與物理問題相關。當你改變邊界條件、改變載荷、改變分析類型、改變流動條件,好的網格也可能變成壞網格。

誤區3:六面體網格總比四面體網格好

很多老的書籍會說六面體(四邊形)網格要比四面體(三角形)網格要好,同時告訴你說引入四面體(三角形)網格會造成很大的數值誤差。一些情況下這種觀點是正確的,特別是15~20年前。

歷史上,人們熱衷于六面體網格,主要有以下原因:1)在當時,CFD求解器僅能使用結構網格;2)計算條件不允許使用大量網格,為了節省內存和節省時間;3)非結構網格還不成熟。

在過去的幾十年里,大部分商用FEA及CFD求解器技術獲得的了極大的發展,對于絕大多數問題,利用六面體網格及四面體網格都能獲得相同的計算結果。當然,四面體網格通常需要更多的計算資源,但是其能在網格生成階段為使用者節省大量的時間。對于大多數工程問題,六面體網格在計算精度方面的優勢已經不再存在了。

對于一些特殊的應用場合,如wind Turbine,泵或飛機外流場計算,六面體網格依然是首選的網格類型,主要原因在于:1)工業慣例;2)易于理解的物理情況(大多數使用者都知道應當如何對齊網格;3)對于這類幾何模型,存在專用的六面體網格生成工具。

然而,對于大多數FAE及CFD使用者,如果幾何模型稍微復雜一點,則需要花費大量的時間在六面體網格生成上,計算結果還不一定更好。計算所節省的時間相對于網格生成所花費的時間,有時候顯得得不償失。

誤區4:自動網格生成(automatic meshing)的方式不可能產生好的網格

當軟件提供商在證明他的軟件是高端的時候(當然價格通常也是高端的),他通常會告訴你說他們的軟件允許手動控制所有的操作參數。潛在意思就是說只有手動控制才能生成好的網格。

當然,對于銷售員來講,好的網格需要手動控制。但是對于工程師來說,他們需要理解這是一個誤導:好的網格軟件應當擁有足夠的智能化以分析幾何模型:計算曲率、尋找縫隙、尋找小的特征、尋找毛刺邊、尋找尖角、擁有智能化的默認設置等…

這些工作都應當是自動網格工具的職責。對于大多數使用者來講,軟件應當對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,軟件應該能夠提供更好的設置以獲取高質量的網格。當然,對于長年累月使用相同的幾何模型及軟件的使用者來說,情況可能有所不同。這些使用者對于物理模型了解得非常清楚,而網格軟件卻沒辦法了解他們的物理問題,因此他們對手動操作的需求更多,而且他們也能更好的駕馭手動操作。

不管怎樣,對于網格質量兩說,一個好的自動網格軟件能夠給予無經驗的使用者更多的幫助。手動控制主要是為一些對物理問題非常了解的有經驗的使用者提供的。

誤區5:好的網格其數量一定特別多

由于HPC資源很容易獲取,甚至一些學生都能進行千萬級別網格的CFD問題求解,因此在多數CAE使用者眼里,大數量的網格意味著高保真度。

這種看法并不完全正確。打個比方,在CFD計算中,如果使用者使用標準壁面函數,則所有放置于粘性子層內的網格都會失效,這不僅會浪費大量的計算時間,也有可能會造成非物理解。特別對于LES模擬,過于西米的網格可能會造成打的誤差及非物理解。

精細的網格并不意味著好的網格。網格劃分的目的是為了獲取離散位置的物理量。好的網格是為計算目的服務的網格,因此,當你的計算結果具有以下特征時:1)物理真實;2)對于項目來講足夠精確,則你的網格已經足夠好了。

另一個關于此誤區的例子在于大多數使用者習慣使用全3D模型。在他們的眼里,3D全模型是真實的。然而,當問題對稱的時候,使用部分模型將會獲得更好的計算結果,因為強制施加了對稱約束。當問題是軸對稱的時候,使用2D計算模型往往能夠獲得比3D全模型更精確的結果。很多CAE新手沒有足夠的時間去完全理解仿真系統中的物理模型,因此很難對幾何模型進行任何簡化。

當前,CAE計算結果依然依賴于網格。好的網格應當具備以下特征:

1.能夠求解所研究的問題

2.具有求解器能夠接受的網格質量

3.基于問題簡化網格

4.適合項目要求

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