CFD網格生成的案例
【4月12-15日 成都】ICEM CFD流體網格生成及Fluent流場分析應用
背景
計算域的網格劃分數量和質量是影響仿真結果準確性的最重要的影響因素之一。ICEM CFD軟件能提供強大的網格劃分功能。主要體現在其對非結構化四面體網格和結構化六面體網格的處理上。
對計算域進行網格劃分后，就可以采用CFD軟件進行計算域的計算分析了。針對不同的工程流體流動問題，CFD仿真技術提供了更快捷、全面的解決方案，CFD技術與實驗測量和理論分析相比，成本低、耗時短、獲得流場中的數據更加容易，可以做到對工程問題的快速反應，從而迅速提出解決方案。Fluent是用于模擬流體流動和熱傳導的計算機程序，在天氣預報、汽車工業、化學工業、能源工程、航空航天等各個領域得到了廣泛的應用。為讓廣大分析人員熟練掌握這兩個工具快速解決計算流體力學實際工程問題。特舉辦《ICEM CFD流體網格生成及Fluent流場分析應用》培訓。詳情請參見第四部分“內容大綱”。
時間地點
時間：2019年4月12日-4月15日（第一天報到，授課3天）
地點：四川*成都
主講專家
該課程講師，博士畢業于西南石油大學機械工程專業，研究方向為有限元仿真技術研究及應用，具有多年的計算流體動力學數值仿真分析經驗，涉及領域主要包括多相流分析，流固耦合分析，燃燒熱及反應流分析，動網格技術等等。發表學術論文20余篇，其中SCI收錄論文4篇，授權專利2項。
內容大綱
報名費用
標準費用：3980元/人，食宿可統一安排，費用自理。
展開 目前流行的CFD網格劃分軟件，你了解幾個？
流體計算（CFD）前處理網格劃分就存在這個問題。下面介紹8款目前流行的CFD網格劃分軟件.
1 常見網格劃分工具
當前市面上有形形色色的網格生成軟件，這里列舉一些最常見的網格軟件。
ANSYS ICEM CFD
ICEM CFD如今是ANSYS軟件中的一個前處理模塊，在早些年（2002）ICEM CFD還不屬于ANSYS，自從被ANSYS收歸旗下之后，ANSYS就將其作為主打前處理軟件對待，后來收購了CFX軟件，ANSYS果斷放棄了CFX原有的前處理模塊（CFX-Build，一款以Patran為基礎開發的CFD前處理模塊），從CFX被收購后的第一個版本（CFX5.7)起，ICEM CFD就被作為CFX的御用前處理器。而在2005年ANSYS收購FLUENT后，ANSYS更是逐漸淡化GAMBIT作為FLUENT的前處理器作用，轉而將ICEM CFD作為FLUENT的前處理器，同時在ANSYS14.5版本之后，將ICEM CFD作為Workbench中的模塊（之前一直作為獨立軟件包）。如今ICEM CFD已經作為ANSYS CFD軟件的前處理器。
總體來說，ICEM CFD是一款功能全面的CFD網格生成工具。其不僅支持block形式的六面體網格，還支持生成四面體，五面體(金字搭)，三棱柱，笛卡爾網格等形式的網格，足以應對任何復雜程度幾何模型的網格生成工作。
ANSYS Mesh
這其實是ANSYS Workbench的網格模塊，為ANSYS Worbench中的求解器（結構、電磁、流體等）提供網格。隨著ANSYS版本的更新，該模塊的網格生成功能也日益強大。據說該模塊在不斷的吸收GAMBIT、ICEM CFD及TGrid（都是ANSYS收購的軟件）的網格生成算法，按照ANSYS的發展策略，可以預測將來ANSYS將會以此模塊作為主打網格生成器。
展開 CFD網格生成新高度——HPC并行處理大規模網格
計算流體力學（CFD）是如今發展規模較大、系統較為完善的學科。在現代CFD 中，網格生成往往要占據整個計算周期人力時間的60％左右，而且網格質量的好壞直接關系到計算結果的精度，隨著高精度、高分辨率格式的提出，計算格式對網格質量的要求越來越高。
同時利用CFD仿真分析的場景也越來越多，建模所需的網格越來越精細，工程師們需要花費更長的時間和更多的計算資源來完成這項工作。
運輸機構型計算網格
隨著CFD 應用復雜度的增加，人們逐步意識到網格生成的局限性嚴重制約了復雜外形的數值模擬能力，開始投入很大精力開展網格生成技術研究，而其中利用HPC并行處理CFD的網格劃分是目前盛行且有效的方式之一。
無需大內存的支撐
速度不是限制大規模網格的唯一因素，對于過去而言，創建這些網格需要大量的內存支撐。在單個核心上對幾何體進行網格劃分可能會使核心的RAM被幾億個單元格所占據（現在大規模的網格基本超過10億單元格）。大型CFD網格往往需要大量內存的支撐，如今在這一方面取得了很大的進展。
機翼大規模網格
并行網格劃分將問題分布在多個核心上，每個核心都有自己的一組RAM。當在多個核上完成網格劃分時，每個核心的RAM要求會降低。
例如，工程師在創建幾何防水工作流程時，無需多次對現實生活中的工業案例進行網格劃分，節省了許多內存資源。
展開 CFD-各種面網格生成方法
CFD-各種面網格生成方法
面網格是非結構網格劃分的基礎，在生成體網格之前，擁有質量良好的面網格是非常有必要的。ICEMCFD提供了多種面網格生成方式，它們各自適用于不同的場合。靈活運用這些方法，可以使面網格劃分工作事半功倍
依次單擊Mesh→Global Mesh Setup→Shell Mesh Parameters,可打開面網格設置面板，如圖1所示。
ICEM CFD提供了5種面網格劃分方法，其各自特點及適用場合介紹如下。
0
1
Patch Dependent
該方法基于構成幾何表面的曲線環來生成網格，適合于捕捉幾何表面的細節特征，能夠生成高質量的四邊形占優的面網格。此方法為ICEM CFD提供的默認面網格生成方法。由于此方法高度依賴于幾何特征線，因此在使用此方法之前需要進行幾何拓撲構建。
展開 
設計仿真 | 革命性的增材制造用于冷板設計：一種新的CFD工作流程
為了解決這個問題，CradleCFD V2024.2開發了一種不需要STL的CFD網格生成新方法。通過利用nTop中的隱式表示并將其與scSTREAM的CFD網格技術相結合，實現了快速CFD分析。
在對具有陀螺晶格結構的鋁冷板進行CFD分析的應用案例研究中，使用新方法將CFD網格生成所需的時間從之前使用傳統方法需要260分鐘縮短到12秒。更重要的是，這種新方法通過CFD分析對晶格結構進行了設計探索，從而得出了最佳形狀，實驗證實，在相同的壓力損失下，與傳統的M形通道相比，冷卻性能提高了30%。當應用于電動汽車IGBT時，這項技術有望有助于電機小型化、提高能效和減少二氧化碳排放。
展開 GAMBIT使用總結：CFD網格生成及修正技巧
1 引言
網格是CFD模型的幾何表達形式，也是模擬與分析的載體。網格質量對CFD計算精度和計算效率有著重要的影響。對于復雜的CFD問題，網格的生成極為耗時，并且極易出錯，生成網格所需的時間常常大于實際CFD計算的時間。因此，有必要對網格生成以及修正方法進行足夠的研究。
考慮到目前的CFD計算多是通過專用的網格生成軟件來劃分所需要的網格，因此，本文就如何利用專用前處理軟件GAMBIT來介紹網格的生成和修正技巧。
2 網格類型
網格主要有兩種：結構網格和非結構網格。
結構網格的最大特點在于網格中節點排列有序，鄰點間關系明確，結構簡單，構造方便，與計算機語言自然匹配，容易計算，網格生成速度快，質量好，數據結構簡單等優點；缺點是適用的范圍比較窄，只適用于形狀規則的圖形，對復雜幾何形狀的適應能力差。
非結構網格舍去了網格節點的結構性限制，易于控制網格單元的大小、形狀及節點位置，靈活性好，對復雜外形的適應能力強——流場變化比較大的地方，可以進行局部網格加密。但其無規則性也導致了在模擬計算中存儲空間增大，尋址時間增長，計算效率低于結構化網格，計算時間長等缺點。
在結構網格中，常用的2D網格單元是四邊形單元，3D網格單元是六面體單元。
展開 Hypermesh生成CFD流體網格的通用流程
以下是針對CFD模型的通用流程
1 清理/清除
導入幾何模型后，進行幾何清理和清除非常必要，損壞的面需要修復或替換，抑制對流場沒有影響的幾何特征從而簡化網格劃分過程，以及獲得好的面單元質量。
2 面網格劃分
選擇合適的面網格劃分方法（例如：“surface deviation面偏差法”或者“size and bias大小和偏差法”）生成幾何上的面網格。面網格質量直接影響最后的體網格質量，所以在生成體網格前檢查和改善面網格質量非常重要，同時保證在面網格里沒有自由邊。
3 體網格劃分
基于面網格，使用合適的體網格方法生成體網格，例如“CFD tetramesh”。和上一步一樣，檢查和改善體網格質量也非常必要。
4 輸出模型準備
為了再工程求解和CFD求解之間達到一個好的兼容性，輸出之前對不同的面和體進行分組非常必要。
5 給CFD求解器輸出網格
針對不同的CFD求解器格式輸出合適的網格。
文章來源：研巴科技
展開 使用 Voronoi 圖生成高保真 CFD 網格
從那時起，它在解析幾何中得到了廣泛的應用，主要用于生成表面或封閉空間的網格模型以進行邊界條件分析。
Delaunay 三角剖分的示例
Delaunay 三角剖分是由非重疊三角形組成的逐點結構，如上所示。當擴展到平面或表面時，三角形不限于均勻性。我們現在知道 Voronoi 圖將空間分割成包圍生成點的多邊形。DT是Voronoi圖中細胞的神經，稱為后者的幾何對偶。DT 主要用于創建可用于有限元分析和有限體積法求解器的網格，因為它的角度保證和快速三角測量算法可用。
使用 Voronoi 圖的 Cadence 高保真網格劃分
求解復雜的流動方程需要高度精確的網格劃分，而 Cadence CFD 產品組合提供網格劃分、求解和后處理解決方案，并與外部 CFD 工作流程兼容。網格生成是 CFD 工作流程中影響最大的步驟之一。它會影響解決方案的準確性、收斂性和仿真效率。我們強大的幾何準備功能縮短了創建高質量網格所需的時間。
有許多可用的網格化途徑。我們快速生成的混合網格使用先進的層技術來生成近壁、邊界層解析棱鏡和六面體。為了細化和調整網格，聚類源提供了對遠離墻壁、近尾流、渦流和其他流動特征的網格分辨率的控制。
使用 Fidelity Cascade 技術的 CFD 工作流程。
我們最近對Cascade Technologies 的投資擴大了我們的高保真 CFD 解決方案組合。我們現在擁有高級模擬解決方案，可以在 CPU 和 GPU 上加速以減少周轉時間，從而使系統公司能夠提高他們設計和制造的系統的耐用性和性能。
Cadence Cascade 技術基于裁剪的 Voronoi 圖提供穩健、快速和大規模并行的 3D 網格生成。這種網格劃分工具允許對各種填料、基于窗口的細化區域和近壁股線播種進行快速點播程序。
展開 CFD分析的結構化網格自動生成方法
在CFD分析的全自動優化過程中，一個關鍵任務就是如何實現模型、網格的自動生成以及CFD流場分析的自動運行。最近，我們在的一個名為“GAMMA”研究項目中，遇到這樣一個難題——要求自動的生成一個結構化網格。
為什么要結構化網格
與非結構化網格相比，結構化網格可以極大地加快流場分析，并且能得到一個精度較好的結果。在大型設計研究中進行高質量的分析時，兩者都可以很好的應用。然而，在優化研究中，非結構化網格的自動化生成會更加容易實現——只需幾何模型就可以實現。結構畫網格卻不是這么簡單。
結構網格的挑戰
關鍵問題在于結構化網格如何去填充一個任意幾何的全部特征？舉個我們研究的例子，例如渦輪增壓器的蝸殼，它就存在一個雖然很小，但卻很難處理的幾何特征——蝸舌。如下圖所示：
蝸舌區域是蝸管體和出口段之間的過渡區域。這對于結構網格來說有點復雜。對于蝸管主體，可以很好劃分結構化網格，一般這部分的結構化網格方式比較明確。但是在蝸殼存在蝸舌結構，如何對蝸舌處劃分結構化網格？在這里就有一些用戶迷茫了。
幾何框架
考慮在這樣的蝸殼幾何生成結構化網格，那么就需要要為網格系統提取一些有用的信息。對于各類復雜幾何，是不可能只以一種方式來自動生成結構化網格。我們所做的不僅是生成出新設計的網格，還基于CAESES軟件建立一套基于模型參數化的幾何框架（能引導生成結構化網格），它在某種邏輯上展示了網格是如何劃分的，然后用該幾何框架生成結構畫網格。下圖展示了幾何框架是如何布置的。
通過這些幾何信息，實現了對這個復雜幾何結構的結構化網格劃分。由于這些內部曲線是模型本身的一部分，所以當修改蝸殼的設計變量時，它們也會自動調整。對于無界面使用者，也可以在優化過程中通過腳本形式創建幾何，實現相同的效果，例如通過外部優化工具控制。這也使得該方法能直接適用于HPC環境。
展開 網格生成軟件Gridgen，Gambit，Icem CFD的比較
Gridgen很容易生成二維，三維的單塊網格或者分區多塊對接結構網格，也可以生成非結構網格，但非結構網格不是它的長項，該軟件很容易入門，可以在一兩周內生成復雜外形的網格，生成的網格可以直接輸入到Fluent，CFX，StarCD，Phonics，CFL3D等十幾種計算軟件中，非常方便，功能強大，網格也可以直接被用戶的計算程序讀?。ú捎肞lot3D格式輸出時）。因此在CFD高級使用人群中有相當用戶。
Gambit作為Fluent的網格生成前置軟件，主要針對Fluent生成非結構網格，它輸出的網格很難被其他軟件讀取，因此，除非你要用Fluent進行計算，一般不會用它。但Fluent有較多的用戶，因此，它也有相當多的用戶。它的長項是生成非結構網格，對用于粘性計算的網格難以生成。
ICEM CFD作為Gridgen的主要競爭者，是一個重量級的網格生成軟件，可以生成結構，非結構，笛卡兒（在4.22版中才有）網格，它也針對眾多的流場計算軟件，可以生成高質量的網格，但它比較難學，沒有3到5月的學習時間，最好不要選用它。
本人對這三種網格生成軟件都進行了深入的學習和應用，感覺生成非結構最好的是Gambit，生成結構網格最好的是Gridgen，Icem CFD可以證明你有很強的學習能力和很充足的空閑時間，無它，唯此而已！
我也用了上述的三種網格生成軟件，我覺得在非結構網格生成方面ICEM CFD已經遠遠超過了Gambit，無論是網格生成的成功率，還是質量控制，或者CAD模型的輸入方面，ICEM CFD都勝一籌。而在多塊結構網格方面，ICEM CFD的發展前景要好于GRIDGEN，前者的工作效率要遠遠高于后者，當然是在發揮出兩者的潛力的前提下，由于前者生成網格的思想與傳統的結構網格生成的思路不一致（例如EAGLE)，采用由上到下的劃分策略，導致其學習周期長，學習的難度大。
展開 網格階數詳解：高階網格生成
主要內容
什么是高階網格
為什么網格曲線化比提升階數更重要
高階網格相比于線性網格的優勢
如何從線性網格創建高階網格
圖中兩個渦輪葉片是一個線性混合網格（六面體，四面體等）。高階網格的劃分能夠在一些關鍵面上在不損失網格精度的情況下降低網格數量。
任何時候針對任何復雜系統進行數值模擬時，控制方程與幾何模型都需要經過不同程度的離散化處理。在 CFD 模擬中，網格劃分將系統幾何模型離散化，創建一組被用于控制方程計算的節點?，F代 CFD 的一個挑戰是在模擬中如何做到求解高精度、網格高分辨率和低計算資源耗費的平衡。為了達到這一目標，很多網格生成方法的開發都意圖在處理復雜幾何圖形的同時不增加計算復雜性。
在 CFD 模擬使用的多種網格生成方法中，高階網格是一種能夠實現精度、分辨率和計算成本平衡的有效方法。高階網格劃分的目標是利用高階多項式曲線的優勢為 CFD 計算創建網格，從而實現在復雜系統環境下提供比線性網格更高的精度。高階網格是如何生成的？就計算精度和計算復雜性而言又是如何在線性網格上疊加實現的？
展開 
什么是網格劃分或網格生成？
然而，純六面體網格仍然可以是非結構化的，如果它們沒有（i,j,k）坐標，將其稱為“結構化網格”在形式上是不正確的。非結構化網格在工業 CFD 領域很受歡迎，因為可以相對容易地在復雜的幾何形狀上生成這類網格。然而，由此生成的單元往往屬性不夠完美，如偏斜過大和對齊效果欠佳，因此由于截斷誤差高和數值擴散，這往往會降低求解器的準確度。
3、混合網格劃分
為了完美兼顧準確度、速度和靈活性，一些現代 CFD 求解器會使用混合網格，它們由結構化模塊和非結構化區域以及許多不同的單元類型組成。通常情況下，近壁面網格將使用棱柱層來表示邊界層，然后隨著網格不斷偏離幾何模型而過渡到其他單元類型。
為什么網格劃分很重要？
網格的質量（由網格中每個單元的幾何指標衡量）會影響 CFD 解決方案的準確性和收斂性。要想實現良好的仿真效果，在準確度和計算資源之間取得平衡非常重要，為此，要進行網格敏感性測試。對于某些幾何形狀，粗糙的網格就足以滿足仿真需求。因此，CFD 應用的要求決定了所需的網格質量和求解準確度。
如何生成高保真網格？
網格劃分是 CFD 工作流程中最耗時的部分，對仿真結果影響很大。
以下三個步驟可以確保生成高質量的網格：
01 幾何清理和水密幾何體
清理幾何體有助于節省仿真時間，這也是 CFD 分析的關鍵步驟，通常需要耗費幾天甚至數周的時間，具體取決于幾何體的復雜程度。確保幾何體沒有無關的特征、層和表面，有助于得出更精確的流體流動解。此外，水密幾何體有助于求解器針對不同的流域進行仿真。
02 物理學關鍵區域的網格細化
網格間距如果不能求解流體變量的局部變化，就會引入離散化誤差。然而，如果網格過于精細，就會增加不必要的計算時間和工作量。
展開 ANSA在汽車外流場網格的應用
本文結合一個半車身的幾何模型，在ANSA中建立流體域，并劃分流體網格，給出了流體分析前處理網格劃分的流程。
一、幾何清理
（1） 讀入模型數據
（2） 幾何模型檢查
（3） 建立外流場區域
（4） 模型修改
（5） 邊界條件設置
二、面網格生成
（1）車體及流體區域網格劃分，用CFD網格功能生成面網格。
（2）局部網格加密，重用CFD網格生成功能生成網格
（3）面網格調整
三、體網格生成
（1）邊界層網格生成，采用layers生成邊界層網格。
（2）體網格生成，自動識別體，并自動劃分體網格。
（3）體網格檢查，檢查網格質量，確保沒有負體積出現。
ansa在汽車外流場網格的應用.pdf
展開 HyperMesh 在 CFD網格劃分領域的應用-Hypermesh軟件教程CAE流體網格劃分CFD
在用 HyperMesh生成網格的過程中，有的地方已生成了面網格，如前文所述的風扇表面以及熱管的部分表面，那么只需要將這些面網格放入所需要邊界條件組件中，或者刪除這些面網格，使用 Generate BC areas功能重新找出這些面，然后再設置邊界條件。流體和不同的固體實體網格也是采用放在不同的組件里使用名字來設置邊界條件的。不同類型的體網格交界面處或外邊界處沒有設置邊界條件的地方，在導入CFD求解器時會自動生成外部邊界條件，往往導致出錯，建議合理的設置邊界條件，避免遺漏。設置完邊界條件后可以用尋找自由邊的方法看是否存在 free edge，以此觀察邊界條件的設置是否有誤。綜上，使用 HyperMesh生成網格時從開始就需要做好規劃，方便邊界條件的生成。
5結論
從上述案例中網格的生成過程可以看出， HyperMesh具有友好界面，具有較為強大的幾何處理功能，可以幫助快速生成高質量網格，并且可以實現邊界層生成以及流體邊界條件設置。
課程簡介學習收獲：
還在為CFD網格前處理發愁嗎？目前市場上hypermesh教程主要針對結構方面網格處理。本課程主要講解HyperMesh作為CFD仿真做前處理網格處理。
課程基于 HyperMesh2019講解并兼顧13/14/2017等版本。
能使學習者掌握 HyperMesh為CFD做前處理的基本思路和方法，CFD網格問題的處理、邊界層網格的控制復雜幾何的CFD處理、外流場網格以及周期邊界網格等實際問題的處理方式。
課程思路緊跟實際建模節奏，深入講解CFD前處理過程，使學習者最終可獨立借助 HyperMesh進行CFD前處理。
展開 關于舉辦“ANSYS FLUENT通用流體模擬核心技術應用與案例實戰”培訓班通知
四、【時間地點】
2019年08月16日 — 2019年08月19日 北 京
（時間安排：第一天報到、培訓三天）
第十七期ANSYS FLUENT通用流體模擬核心技術應用與案例實戰課程大綱
一、ICEM CFD網格生成
（求解前處理）
（1）ICEM CFD網格生成功能介紹
（2）ICEM CFD幾何模型識別及修補
（3）2D殼/面網格生成及處理
（4）非結構四面體網格自動劃分方法及案例
（5）網格編輯方法
（6）結構化六面體網格劃分方法（塊生成（邏輯域生成）、切分快、O剖分、Y剖分、關聯）及案例
（7）提高網格劃分質量的技巧及案例練習（8）網格文件導出
（9）網格無關性檢查與網格自適應加密操作與案例
二、Fluent Meshing非結構網格劃分
（1）幾何導入、面網格優化與修復，多面體網格生成（實例）
（2）臟模型wrapping網格生成流程及方法（實例）
（3）Watertight Geometry網格快速生流程（實例）
三、FLUENT操作通用流程及高級子模型添加
（1）CFD數值求解方法原理及FLUENT功能描述及求解流程
（2）網格導入及計算域檢查
（3）設置湍流模型原理、分類與應用領域、設置方法
（4）設置其他高級子模型 （5）設置邊界條件
（6）設置求解參數
（7）常用求解器設置、亞松弛因子設置與監視求解過程
（8）迭代求解、常用收斂的判斷依據
（9）求解算法講解、提高收斂性及提高求解精度
（10）結果后處理及報告生成（顯示等值線圖、云圖、速度矢量圖、跡線圖、XY數據點圖、校核守恒量、模擬結果動畫視頻制作、模擬結果報告）
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展開 