三維網格劃分中無厚度面的處理

仿真模型簡化時，當計算域中某些幾何可以忽略厚度的影響時，可以使用無厚度表面代替，以作化簡。但是這種無厚度面，若不作一定操作，不會直接被求解器識別，例如：圖1（管道內，有一個不計厚度平板）和圖2（三段管道，中間有需考慮的分隔面——coupledwall或interior）。

                                                           圖1

                                                        圖2

若不經任何其它處理，直接劃分網格，導入求解器（下述內容中以FLUENT為例）后圖1的計算域僅為外部圓柱區域（板不會被識別），而圖2所示的計算域會被分為三個沒有關聯的域（每兩個圓柱間均會形成兩個重合的面，而不是能實現連通的interior或傳熱的coupledwall）。

本系列將以圖1（計算域內部的面）和圖2（多個計算域之間的面）為例，使用ANSYSWorkbench平臺下的MESH和ICEM演示內部帶有無厚度面的計算域處理方式，以便識別無厚度面的操作問題。

ANSYS WORKBENCH有DM（DesignModeler）和SCDM（SpaceClaim）兩個模型處理模塊，對于使用MESH劃分來說，使用兩個模型模塊的操作有所不同（實際概念和原理相同），會分開介紹。

本部分內容將會包含四節：

第一節：域內無厚度面使用ANSYSMESH+DM的實現方式

第二節：域內無厚度面使用ANSYSMESH+SCDM的實現方式

第三節：域間無厚度面的實現方式

第四節：無厚度面使用ICEM的實現方式（結構和非結構網格）

第一節 域內無厚度面使用ANSYSMESH+DM的實現方式

針對圖1所示的模型，使用DM+MESH，主要操作如下：

1.1From New Part

如圖1.1-1，在DM中同時選擇實體模型和無厚度面模型，使用右鍵菜單，并選擇FromNew Part，做完這一步之后模型樹變成圖1.1-2。

注意：FromNew Part這一步必做！

                                                                         圖1.1-1

                                                                             圖1.1-2

From NewPart這一步網上有以下面這一步代替的做法——使用Boolean（布爾運算），但本人親測無法實現目的。不知為何？若有操作成功的同志，麻煩給指個路。

Boolean（布爾運算）方式的操作如下：

在DM中使用Boolean（布爾運算），如下圖1.1-3，TargetBodies中選擇大的實體模型，ToolBodies中選擇無厚度面，并在PresverveTool Bodies?（最后一項）選擇Yes,Imprinted。

                                                                           圖1.1-3

1.2識別情況

1.2.1對板作邊界標定時的情況

如圖1.2-1，在DM或MESH中選擇邊界面（要以面的形式選中該面，不要以體的形式選中，如圖1.2-2），使用右鍵菜單，并選擇NamedSelection為邊界命名，此處命名為band（圖1.2-3）。

                                                                              圖1.2-1

                                                                             圖1.2-2

                                                                                圖1.2-3

完成邊界標定后，然后生成網格（圖1.2-4），則該無厚度面就能夠被FLUENT識別，如圖1.2-5。識別為名為band的interior類型的面，但允許修改為wall等其它類型。

                                                                             圖1.2-4

                                                                            圖1.2-5

將板修改為wall類型并試算后，結果如圖1.2-6。

                                                                                圖1.2-6

1.2.2不對板作邊界標定時的情況

不對板作邊界標定（即不給它命名）時，也能夠被FLUENT識別，如圖1.2-7。識別為wall類型的壁面，并自動命名為baffle，同時自動生成band-shadow邊界。

                                                                                       圖1.2-7

使用相同設置時，仿真結果與1.2.1相同（圖1.2-6）。

第二節 域內無厚度面使用ANSYSMESH+SCDM的實現方式

針對圖1所示的模型，使用SCDM+MESH，主要操作如下：

使用SCDM作為模型模塊的處理方式與使用DM時的處理思路完全相同，所以這里不去詳細說明，只將操作與前述的DM時的情況與之對應。但在SCDM中沒有FromNew Part，取而代之的是ShareTopology命令，如圖2.1-1，選中Geom-1*(模型樹名稱)，然后在ShareTopology項下，選擇Merge。它的作用與在DM中使用FromNew Part的方式幾乎是相同的。

                                                                           圖2.1-1

若需要對板作邊界標定，則可以選中板后，點擊CreatGroup，如圖2.1-2，然后對新生成的Group1重新命名即可，如命名為band（圖2.1-3）。后續劃分網格的過程與其它普通幾何劃分過程無區別，省略不描述。而且對該面標定或標定時，識別情況與1.2中完全相同（如圖2.1-4）。且使用相同設置時，仿真結果與1.2.1相同（圖1.2-6）。

                                                                               圖2.1-2

                                                                              圖2.1-3

                                                                           圖2.1-4

第三節：域間無厚度面的實現方式

若是幾個域中間存在分隔面的情況（如圖3.1中為三個圓柱連接在一起構成的細長圓柱模型），直接生成網格的話，在兩個圓柱連接部分會形成兩個獨立的邊界面（物理上兩個面是重合的），且兩部分網格不共節點。在這種情況下，幾個域會成為完全獨立的部分，以流體仿真為例，若要實現幾個域之間的流體互通，則需要使用interface的方式。

如果要在FLUENT中實現這幾個域直接連通（中間面為interior）或實現幾個域間的耦合傳熱（coupled wall），則可使用以下操作實現：

（1）使用SCDM+MESH

同時選中這幾個域（模型），使用鼠標右邊菜單中的Moveto New Component命令（圖3.2），生成一個新的組件，然后選中新生成的Component1，然后在ShareTopology項下，如圖3.3，選擇Share（后續生成網格時會共享節點，這與域內無厚度面的處理方式選擇Merge不同）。若需要對中間的分隔面進行邊界標定也可使用第二節（圖2.1-2和圖2.1-3）的方式操作。

                                                                               圖3.1

                                                                              圖3.2

                                                                             圖3.3

（2）使用DM+MESH

使用DM處理域間無厚度面與處理域內無厚度面的做法相同，如圖3.4和圖3.5，即選中所有體和面，然后FromNew Part，最后根據需要選擇是否作邊界標定。

                                                                                圖3.4

                                                                                       圖3.5

本節（第三節）中后續劃分網格亦無區別，且不論標定與否，識別情況也與第一節（1.2）同，且同條件下仿真結果也與圖1.2-6相同，均省略不描述。

第四節 無厚度面使用ICEM的實現方式（結構和非結構網格）

使用ICEM處理無厚度面（域內無厚度面和域間無厚度面，本節僅使用無厚度面指代），與使用MESH時不同。ICEM本身有很強的幾何處理功能，它不依賴前處理工具，并且與是否在DM/SCDM中使用FromNew Part/ShareTopology處理過模型基本無關（導入ICEM并如圖4.1修復創建拓撲后都會失效），導入的模型都須按以下方式進行處理。

                                                                              圖4.1

根據ICEM中結構和非結構兩種網格生成方式，處理方式也分為兩種情況。

4.1 非結構網格處理方式

使用非結構網格處理方式時，為使無厚度面能夠正確識別，如圖4.1修復創建拓撲后，必須完成以下兩步工作：

第一步：對無厚度面作邊界標定（在Parts上面使用右鍵菜單CreatePart，圖4.2），這里將兩個域間面分別命名為SIDE1和SIDE2，將域內面命名為BAND，如圖4.3。

                                                                                圖4.2

                                                                               圖4.3

第二步：在PartMesh Setup中，對每個面勾選internalwall或splitwall選項（親測在這種情況下沒區別），如圖4.4。

注意：以上兩步都必須做（當然原本也只有做完成了第一步才能做第二步）！

                                                                          圖4.4

                                                                    圖4.5

其它ICEM操作不詳述，生成非結構網格如圖4.5，在FLUENT中的識別情況如圖4.6，顯然與第一節（1.2）相同。

                                                                         圖4.6

將side1和side2的類型改為interior（改完后帶shadow的邊界消失），試算結果如圖4.7。

                                                                           圖4.7

4.2結構網格處理方式

使用非結構網格處理方式時，導入修復并創建拓撲后，同樣需要完成兩步工作，其中第一步工作與4.1節中相同，此處僅說明第二步。

具體方式為：創建并切分好BLOCK后，需要進行面關聯，將無厚度面與BLOCK中的face關聯起來。

操作如圖4.8和圖4.9所示，初步生成網格后，點擊圖4.8中的面關聯，選擇BLOCK中與無厚度面band（域內面）對應的face，然后點擊鼠標中鍵，緊接著會彈出圖4.9中的SelectParts面板，在該面板中選擇band。

對于另外兩個域間面（side1和side2）也可以使用相同方式操作（對于此例，域間面作面關聯時，需選擇BLOCK中如圖4.10所示的5個face，因為像這5個face一起才能夠代表side1或side2）。

                                                                                   圖4.8

                                                                                圖4.9

                                                                             圖4.10

其它操作不詳述，生成的網格如圖4.11，讀入FLUENT的識別情況也與圖4.6相同，試算結果如圖4.12。

                                                                                 圖4.11

                                                                               圖4.12

以上是對MESH和ICEM中識別無厚度面的處理方式親測經驗總結，各方案效果真實可靠！若您有不同意見或更好的經驗，懇請賜教！