行業(yè)：高校/科研 

    挑戰(zhàn)：如何利用網(wǎng)格劃分軟件，在使 用Nek5000的時候，生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。

    Altair 解決方案：利用HyperMesh導出的網(wǎng)格轉(zhuǎn) 換為Nek5000程序能夠使用的格式。

    優(yōu)點：建立用戶友好的通用網(wǎng)格 劃分流程 ； 加強研究人員的合作能力 ；提升學習效率 ；獲得更好更精確的結(jié)果

    項目介紹 

    亞利桑那州立大學（ASU）的物質(zhì)運輸和能源工程學院(SEMTE)，希望通 過使用商業(yè)化的通用前處理軟件 HyperMesh，來完成復雜幾何外形的網(wǎng)格劃 分，以便在譜元法計算流體程序 Nek5000 中使用。 由于 CFD 計算程序需要使 用 3D 六面體單元，在使用 Nek5000 程序時就會遇到劃六面體網(wǎng)格的挑戰(zhàn)。

     SEMTE 的科研人員創(chuàng)建了一項研究項目，來開發(fā) HyperMesh 網(wǎng)格和 Nek5000 代碼間轉(zhuǎn)化的工具。這個轉(zhuǎn)化工具可以將 HyperMesh 網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為 Nek5000 程序可識別的格式。在使用這個導出模板后，整個流程具有了更好的 用戶體驗并且更加不容易出錯。首先在 HyperMesh 中生成網(wǎng)格，然后在導出 模板中整理好所有的數(shù)據(jù)并將其分類，以便網(wǎng)格能夠以 Nek5000 的正確格式導 入到用戶模塊中。 

    挑戰(zhàn) 

    綜合模擬計算流體實驗研究團隊重點開發(fā)并利用了許多工具應(yīng)用于并行計 算機，研究分析復雜的工程問題和物理系統(tǒng)。他們用開源的計算流體求解器 Nek5000 來進行他們的研究。Nek5000 是基于譜元法的一個求解器，由阿貢國 家實驗室提供技術(shù)支持。Nek5000 被廣泛的應(yīng)用于許多問題中，比如反應(yīng)堆堆 芯熱工水力學、血管流動、大氣和海洋建模以及燃燒等領(lǐng)域。SEMTE 的科研 人員使用這個程序來研究一些領(lǐng)域的基本的物理問題，比如熱傳遞問題和湍流 問題，它們目前的商業(yè)應(yīng)用主要是在航空航天和風能行業(yè)。該團隊（綜合模擬 計算流體實驗研究團隊）正在開發(fā)各種應(yīng)用來提高 Nek5000 的功能。 

    Nek5000 采用了譜元法，將有限元求解器的幾何靈活性與全局譜元法的高 精度特性相結(jié)合。這個程序的優(yōu)點在于它能夠以很高的精度來研究十分復雜的 流動形式，包括幾何上的復雜性和多組分/多物理流動。 

    對于高保真方法預測的湍流流動，比如直接數(shù)值模擬法，在這種方法下， N-S 方程在足夠精細的網(wǎng)格上被離散，所有尺度的運動都得到直接的求解，不 需要模型。這是一種優(yōu)秀的方法，它具有最小的離散度和耗散誤差。使用 Nek5000 最大的困難在于它要求采用 3D 六面體單元。通常來說，大多數(shù) CFD 軟件使用四面體網(wǎng)格，因為對于一般的幾何外形，四面體網(wǎng)格更加容易生成。 這給亞利桑納州立大學的研究人員們帶來了挑戰(zhàn)——如何利用多功能、先進的 網(wǎng)格劃分軟件（如 HyperMesh）。在使用 Nek5000 的時候，生成高質(zhì)量的六 面體網(wǎng)格。

    “我認為 HyperMesh 是我用過的最好的網(wǎng)格生成工具。它都是一個非常有價值的軟件。比如它出色的 參考資料，這些資料都十分容易獲得。使用 HyperMesh 后，我們在許多問題上的工作效率都變快了，劃分 網(wǎng)格的流程也十分簡單。事實上，在過去的一年里，我們團隊里面的碩士生有一半使用過 HyperMesh 自定 義導出模塊，為研究流經(jīng)幾何結(jié)構(gòu)的流動生成網(wǎng)格，否則這些網(wǎng)格將不能被識別。”

                                                                                               Philip Sakievich  

                                                                                                博士生、助理研究員

                                                                                               亞利桑那州立大學航空航天與機械工程系 

    解決方案

    為了應(yīng)對這項挑戰(zhàn)，綜合模擬計算流體實驗室的研究人員立了一個課題來研究開發(fā)轉(zhuǎn)換工具，使從商用軟件 HyperMesh 中導出的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為 Nek5000 程序能夠使用的格式。在這個課題開始前，研究人員還沒有一個劃分網(wǎng)格 的流程。大多數(shù)的網(wǎng)格劃分都是由 15-20 年前開發(fā)的定制軟件來處理的，而且這些軟件從那以后只有較少的更新。 另 外一些用戶針對一些特定的問題，在一些軟件比如 Matlab 中，創(chuàng)建他們自己的網(wǎng)格劃分工具。當處理不規(guī)則幾何外 形的時候就變得更加復雜了。 在建立一個標準的流程的時候，一個成熟的工具比如 HyperMesh 是很有必要的，因 為它允許用戶通過幾何劃分網(wǎng)格。 SEMTE 的研究人員選擇 HyperMesh，是因為它中立于求解器，出眾的參考文檔， 以及開放的架構(gòu)。 

    “使用 HyperMesh 后，我們團隊能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。此外，由于它能讀取所有的常用網(wǎng)格格式，其它團隊用 另外一些軟件劃分的網(wǎng)格，我們可以用它進行轉(zhuǎn)換。這極大的增加了我們與其他研究人員的合作能力，并且這使得我 們能集中更多精力在我們關(guān)心的實際研究問題上。這都是我們團隊獲得的好處。”Philip Sakievich 說道。 

    有了工具后，工程師們開始研究一些很小的問題，這些問題由 5 到 10 個單元組成。在項目的過程中，他們一直 在開發(fā)和調(diào)試程序，隨后在更大的范圍去測試。經(jīng)過幾周的深入研究和編寫程序，這些研究人員最終確定了導出模板， 編寫了一個總體上對用戶更友好、更不容易出錯的流程。網(wǎng)格在 HyperMesh 中生成以后，導出模板將所有的數(shù)據(jù)組 織分類，以便它能在 Nek5000 中以需要的格式在用戶模板中導入。轉(zhuǎn)換工具先將每個單元的節(jié)點坐標從原始的 HyperMesh 格式轉(zhuǎn)換成 Nek5000 的數(shù)據(jù)格式。用戶也通過 HyperMesh 施加了邊界條件，這些數(shù)據(jù)將在幾何轉(zhuǎn)換完 成后，轉(zhuǎn)換成 Nek5000 的格式。然后所有的這些數(shù)據(jù)都被寫入到一個文件中，這個文件就可以提交到 Nek5000 中進 行求解。工程師們也為網(wǎng)格加入了邊界點，以便增加幾何的可變形特性，并且轉(zhuǎn)換器會自動識別這個基于 HyperMesh 的單元類型的信息。

    結(jié)論 

    亞利桑那州立大學物質(zhì)運輸和能源工程學院的研究人員和學生們?nèi)缃裼幸粋€普遍的可使用方法，他們幾乎可以對 任何的程序中的復雜幾何外形，用基于譜元法的 CFD 程序 Nek5000 來進行數(shù)值計算。目前有計劃進一步加強轉(zhuǎn)換器 功能，將其返工以便優(yōu)化它的性能，使得它運行得更加快。 HyperMesh 和自定義導出模塊有利于： 

•     建立一個用戶友好的通用網(wǎng)格劃分流程

•     為先進的高度集成工程的工作流程打開了一扇門

•     加強與使用不同工具的研究人員的合作能力

•     提升所有學生在這些項目上的學習效率

•     在各種分析任務(wù)中得到更好更精確的結(jié)果 

•     能對具有復雜幾何外形的流動進行數(shù)值計算 

    亞利桑那州立大學是一個追求卓越、成功和影響力的大學，它為美國創(chuàng)建研究性大學建立了一個新的模式。亞利 桑那州立大學致力于公共利益的研究，對周邊的社區(qū)的經(jīng)濟、社交和文化繁榮承擔著亞利桑那州立大學物質(zhì)運輸和能 源工程學院包含了力學、航空航天、材料和化學工程。了解更多信息，可以訪問：http://semte. engineering.asu.edu/。

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