對(duì)于我們流體工程師來(lái)講，“仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)”是常常被掛在嘴邊的一句話。CFD的主要工作，也是將我們所熟識(shí)的物理現(xiàn)象，應(yīng)用到特定的場(chǎng)景（產(chǎn)品）之中。那么，對(duì)于這些不一樣的產(chǎn)品，對(duì)應(yīng)的CAD模型就是一個(gè)最為主要的特征。是否能夠準(zhǔn)確合理的在流體仿真中描述這個(gè)CAD模型，就成為了最重要的一件事。

 

當(dāng)然，由于仿真效率與規(guī)模的限制，過(guò)于詳細(xì)的CAD描述則可能會(huì)影響仿真的進(jìn)程，因此，我們必須要尋找一種既高效又準(zhǔn)確的方法來(lái)讀入CAD模型，從而幫助我們的仿真流程得以順利完成。

 

Fluent Meshing作為一款高級(jí)的流體前處理工具，具備有多種CAD導(dǎo)入的方法，涵蓋從快捷高效到精細(xì)準(zhǔn)確的多個(gè)環(huán)節(jié)。而且隨著近幾年版本的更新，功能也逐步完善，用以應(yīng)對(duì)不同CAD模型、不同仿真精度的多個(gè)需求。

 

圖1 從CAD模型到CFD模型的轉(zhuǎn)換

 

一、Fluent Meshing支持哪些CAD幾何格式？

 

從ANSYS 16.0開(kāi)始，F(xiàn)luent Meshing讀入幾何的接口就與SCDM完全一致了，換句話說(shuō)，幾乎所有主流的CAD格式，目前都可以直接讀入到Fluent Meshing中來(lái)。

 

當(dāng)然，在實(shí)際的流體仿真中，我們?nèi)耘f推薦導(dǎo)入ANSYS所支持的幾何格式，比如*.scdoc，*.agdb，*.pmdb等，因?yàn)檫@一類的幾何格式不僅可以確保CAD的數(shù)據(jù)無(wú)錯(cuò)的傳遞，而且還可以保留共享拓?fù)浼懊刃畔ⅰ?/p>

 

圖2 Fluent Meshing支持的輸入和輸出文件格式

 

二、Fluent Meshing讀入幾何的三種常用方法

 

圖3 不同精度的CAD表面離散方法

 

1、通過(guò) CAD Faceting方式讀入幾何文件

 

這種方法是Fluent Meshing的默認(rèn)CAD導(dǎo)入方式，也是使用Workbench打開(kāi)Fluent Meshing并進(jìn)行幾何輸入的唯一方法。通過(guò)該方法導(dǎo)入的幾何會(huì)出現(xiàn)在Geometry Object結(jié)構(gòu)樹(shù)中，并以類似于*.stl格式的刻面文件方式存在。

 

該方法主要的優(yōu)點(diǎn)是讀入幾何的速度快，生成網(wǎng)格的數(shù)量少，占用內(nèi)存小，整個(gè)計(jì)算機(jī)和軟件對(duì)模型的響應(yīng)也更為迅速，因此在工作效率上是比較高的。

 

當(dāng)然，該方法也有較大的缺陷：一是通過(guò)該方法離散得到的CAD表面網(wǎng)格不能直接作為流體仿真的表面網(wǎng)格，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量太差；二是該方法離散的精度不高，無(wú)法有效捕捉幾何的一些重要特征（如曲面等）；三是該方法不支持自定義的加密，無(wú)法人為的對(duì)離散后的網(wǎng)格尺寸分布進(jìn)行干預(yù)。所以可以認(rèn)為CAD Faceting的方法效率雖高，但精度無(wú)法保證。

 

圖4 使用 CAD Faceting 方法導(dǎo)入幾何模型

 

2、通過(guò) CFD surface Mesh方法讀入幾何文件

 

該方法可以認(rèn)為是在讀入幾何的同時(shí)進(jìn)行了一次Remesh的操作，因此導(dǎo)進(jìn)來(lái)的CAD文件直接存在于Mesh Object結(jié)構(gòu)樹(shù)下。同時(shí)，絕大多數(shù)的網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以作為流體仿真的表面網(wǎng)格，來(lái)進(jìn)行下一步的操作。使用該方法之前需要對(duì)尺寸函數(shù)進(jìn)行定義，包括最大值、最小值、曲率和狹縫的加密等等；當(dāng)然，也可以直接輸入已有的尺寸分布文件（需要預(yù)先生成）。

 

該方法的優(yōu)勢(shì)是導(dǎo)入后生成的面網(wǎng)格幾何精度高、質(zhì)量好。缺點(diǎn)是工作效率較低、生成速度較慢，尤其是當(dāng)幾何存在問(wèn)題時(shí)，這種方法會(huì)極大的延長(zhǎng)操作的時(shí)間。

 

圖5 使用 CFD surface Mesh 方法導(dǎo)入幾何模型

 

3、通過(guò)readàmeshà *.tgf格式的網(wǎng)格文件導(dǎo)入幾何

 

對(duì)于早期接觸Fluent和Tgrid軟件的流體工程師而言，*.tgf是一個(gè)常見(jiàn)的網(wǎng)格文件格式，他與傳統(tǒng)的*.stl格式文件類似，都是通過(guò)離散化CAD表面幾何而形成的。而且，無(wú)論是早期的Tgrid還是現(xiàn)在的Fluent Meshing，在導(dǎo)入幾何后仍舊會(huì)在默認(rèn)的緩存目錄下生成一個(gè)*.tgf格式的網(wǎng)格文件，用以恢復(fù)崩潰所帶來(lái)的影響。

 

對(duì)于*.tgf的生成方式，在SCDM 18.0之后的版本中可以直接保存。使用SCDM輸出*.tgf網(wǎng)格文件的效率，要比使用Fluent Meshing讀入*.scdoc幾何文件（CAD Faceting方法）快30%~70%，而且還不會(huì)受到版本的限制（比如低版本的Fluent Meshing是無(wú)法直接導(dǎo)入高版本的*.scdoc文件的）。

 

同時(shí)，該方法在輸出表面的時(shí)候，還可以調(diào)節(jié)精度。因此，對(duì)于某些單個(gè)流體區(qū)域的問(wèn)題（多區(qū)域可能會(huì)有問(wèn)題），還是建議使用*.tgf文件進(jìn)行過(guò)渡的；輸出文件之后，直接在FM中使用readàmesh就可以找到了。

 

圖6 使用 SCDM軟件輸出*.tgf網(wǎng)格文件

 

三、準(zhǔn)確高效的讀入CAD模型的幾種策略

 

了解了FM讀入幾何的幾種方法之后，我們究竟該如何選擇呢？接下來(lái)就來(lái)討論一下不同的處理策略。

 

策略一：先通過(guò) CAD Faceting方式讀入幾何，再通過(guò)Remesh方法改進(jìn)

 

CAD Faceting方法工作效率高，離散速度快，可以高效的將幾何文件讀入到Fluent Meshing的算例中來(lái)。但是如上文所述，該方法的曲面精度可能不盡如人意。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可能有些CFD工程師會(huì)有疑惑，“Fluent Meshing不是具備有網(wǎng)格重構(gòu)（Remesh）技術(shù)嘛，這個(gè)時(shí)候只要把粗糙的表面網(wǎng)格加密，就應(yīng)該可以解決精度不足的問(wèn)題了。”

 

對(duì)于這樣的情況，網(wǎng)格重構(gòu)（Remesh）技術(shù)確實(shí)可以處理一部分問(wèn)題，比如互相垂直的特征，或者交線兩側(cè)的角度比較大，都可以通過(guò)加密的方式來(lái)提高離散的精度；但是對(duì)于曲率較大的弧面，單純的后續(xù)加密是無(wú)法提高精度的。

 

如下圖所示，如果按照相對(duì)高效的方法（CAD Faceting）讀入了初始的  CAD 文件，那么在球面部分的網(wǎng)格會(huì)比較大，可以認(rèn)為此時(shí)的球面被離散成了一個(gè)多面體。這個(gè)時(shí)候再進(jìn)行尺寸分布的定義并隨后對(duì)網(wǎng)格重新劃分，如圖所示，則可以看到：

 

雖然網(wǎng)格數(shù)量有所增加，但離散后的多面體仍舊存在，加密的點(diǎn)并未投影在之前 CAD的球面上，相反則是多出一個(gè)加密了的 “多面體”。因此可以認(rèn)為，這種方式對(duì)于曲面的精度提升是失敗的，而且新增的網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，可以認(rèn)為是“好鋼沒(méi)有用在刀刃上”。

 

圖7 CAD Faceting直接讀入的模型

 

圖8 在上圖基礎(chǔ)上直接Remesh加密的網(wǎng)格

 

策略二：直接通過(guò)CFD Surface Mesh的方法導(dǎo)入CAD幾何

 

如果在首次導(dǎo)入幾何的時(shí)候就按照高精度的 CFD Surface Mesh方法，對(duì)曲率和狹縫的位置進(jìn)行加密，那么確實(shí)可以有效解決弧面處網(wǎng)格精度不高的問(wèn)題。當(dāng)然，這種方法也是包含有一定風(fēng)險(xiǎn)的，比如：幾何細(xì)節(jié)未知導(dǎo)致尺寸參數(shù)不好確定，全局統(tǒng)一參數(shù)設(shè)定無(wú)法體現(xiàn)局部差異，幾何尺寸過(guò)小導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大、等待時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等。

 

策略三：先通過(guò)SCDM軟件輸出*.tgf格式的網(wǎng)格文件，再通過(guò)Remesh方法改進(jìn)

 

對(duì)于策略一中的CAD Faceting方法，可能存在精度不高又無(wú)法有效調(diào)整的情況。如上文所述，與其類似的*.tgf網(wǎng)格格式則可以在導(dǎo)出時(shí)定義相應(yīng)的精度，從而提高曲面特征的準(zhǔn)確性。隨后，依照該面網(wǎng)格進(jìn)行的Remesh網(wǎng)格重構(gòu)，就可以順利的實(shí)現(xiàn)CAD表面向CFD面網(wǎng)格的轉(zhuǎn)變。

 

當(dāng)然，對(duì)于這一類方法也是存在一定的不足，比如過(guò)于精細(xì)的*.tgf網(wǎng)格文件會(huì)占用較大的硬盤(pán)空間，讀取起來(lái)所需時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)；同時(shí)，多實(shí)體間的共享拓?fù)淇赡軙?huì)在*.tgf格式的網(wǎng)格中失效。

 

策略四：先通過(guò) CAD Faceting方式讀入幾何，隨后保存*.pmdb和*.sf文件，最后使用CFD Surface Mesh的方法重新讀入該幾何

 

對(duì)于該方法，通常需要3個(gè)步驟才能順利完成。

 

Step 1 通過(guò)CAD Faceting的方式導(dǎo)入幾何，并保存*.pmdb文件

 

這個(gè)選項(xiàng)中的*.pmdb格式是ANSYS所支持的幾何文件，和*.scdoc，*.agdb等格式類似，都是可以將CAD幾何無(wú)錯(cuò)的傳遞到ANSYS的網(wǎng)格劃分軟件中來(lái)。

 

當(dāng)然，*.pmdb也有自己的特點(diǎn)，那就是讀取的速度更快，同樣通過(guò)Import的方式導(dǎo)入幾何文件，*.pmdb和*.scdoc相比通常都會(huì)有數(shù)倍甚至數(shù)十倍的差別。

 

圖9 導(dǎo)入CAD的同時(shí)保存*.pmdb文件

 

Step 2 定義尺寸分布并保存*.sf文件

 

讀入之后，我們就可以根據(jù)這個(gè)粗糙的三角面片文件進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)定，比如：細(xì)節(jié)特征的測(cè)量，狹縫與曲率的捕捉，強(qiáng)制尺寸設(shè)置，影響體尺寸設(shè)置等。有了這些表面網(wǎng)格尺寸分布并計(jì)算確認(rèn)之后，接下來(lái)則不需要進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分（Remesh）或是包裹（Wrap），而是儲(chǔ)存當(dāng)前的尺寸分布情況Size Field（*.sf文件）。

 

圖10 設(shè)定并保存*.sf尺寸分布文件

 

需要注意的是，尺寸分布的情況是空間坐標(biāo)的函數(shù)，與幾何的形狀并無(wú)直接的關(guān)系，原則上同一個(gè)尺寸分布的文件甚至可以使用在完全不同的CAD模型上（當(dāng)然對(duì)應(yīng)的效果可能會(huì)比較差）。

 

圖11 Fluent Meshing可以直接顯示尺寸分布的云圖

 

Step 3 按照CFD Surface Mesh的方法重新讀入*.pmdb文件，并包含*.sf的尺寸分布

 

保存完畢后，我們重新讀入CAD模型，并按照高精度的 CFD Surface Mesh方法來(lái)處理。這個(gè)時(shí)候，之前保存的尺寸分布（*.sf）文件就排上用場(chǎng)了，我們無(wú)需再給定曲率與狹縫的加密方法，也無(wú)需擔(dān)心幾何會(huì)被過(guò)度的細(xì)化，只需要按照已有的分布進(jìn)行幾何表面的離散化即可。

 

當(dāng)然，重新讀入的幾何建議采用*.pmdb格式，這個(gè)是在初次導(dǎo)入幾何時(shí)保存的文件，就如同前面說(shuō)的，*.pmdb格式的文件可以極大的提升CAD導(dǎo)入的效率，同時(shí)還能保證幾何的曲面形狀，從而達(dá)到提高工作效率與離散精度的“雙贏”效果。

 

圖12 重新讀入 CAD模型

 

圖13 按照“策略四”導(dǎo)入的幾何能夠有效保證曲面精度

 

綜上所述，建議大家按照以下方法選擇策略：

 

對(duì)于只包含一個(gè)實(shí)體幾何的流體計(jì)算區(qū)域，使用策略三和策略四都可以，因?yàn)檫@兩者都兼顧了效率與準(zhǔn)確性的要求；

 

對(duì)于多區(qū)域的實(shí)體（比如共軛換熱問(wèn)題、多參考坐標(biāo)系問(wèn)題、多孔介質(zhì)問(wèn)題等），建議使用策略四來(lái)做，因?yàn)?.tgf文件中的共享拓?fù)湫Ч赡軙?huì)失敗，從而導(dǎo)致大量的重疊與交叉需要后續(xù)處理。