局部重構
關注創建者：博集華仿 創建時間：2019-12-30
局部重構的實例教程
時間
11月1日起，每周四晚19:30
課程大綱
第一章FLUENT概述
1.1 軟件介紹
1.2 CFD分析方法與基本步驟
1.3 FLUENT基礎
第二章 動態網格理論基礎
第三章 FLUENT動態網格模型算法概要
3.1 體網格再生方法
3.2 邊界運動或變形的指定
3.3 動網格問題設定圖形用戶界面GUI
3.4 FLUENT中動網格模型的限制
第四章 鋪層
4.1 鋪層基本特點
4.2 動網格控制參數
4.3 實例1：活塞運動
4.4 區域優先級
4.5 邊界條件的繼承性
4.6 實例2：傳送帶
4.7 實例3：玩具槍
4.8 實例4：純旋轉運動
4.9 鋪層算法的限制
4.10 鋪層算法的技巧
第五章 彈性光順
5.1 彈性光順法的基本特點
5.2 實例1：形狀不規則的活塞運動
5.3 非三角形/四面體網格的光順
5.4 彈性光順方法的限制
第六章 局部重構法
6.1 局部重構法概要
6.2 局部體網格重構算法
6.3 實例1：存儲分離
6.4 實例2：三維活塞運動
6.5 實例3：不規則活塞運動
6.7 實例4：2.5維度網格重構
6.8 尺度重構間隔（Size Remesh Interval）
6.9 實例5：二維活塞
6.10 局部重構法應用
6.11 局部重構算法技巧
第七章 尺寸函數
7.1 概述
7.2 局部重構和尺寸函數GUI
展開 問題描述：活塞壓縮
01 分析模塊
02 建立模型
03 劃分網格
04 定義物理模型
05 定義材料
06 定義流場材料類型
07 定義邊界條件
08 定義速度和動網格
09 求解方法，求解控制，監控，都按默認設置
10 初始化
11 求解
12 后處理
擴散光順方法在此不作詳細敘述，只簡述其適應的情況：能夠應用于任何類型的運動或變形網格；擴散光順方法比彈簧光順計算開銷要大（隱式求解擴散方程，而彈簧光順是顯式計算節點位移），但是能夠得到較好的網格質量（特別是對于非四面體/非三角形網格及多面體網格）；更適合于平移運動；擴散光順方法與邊界層光順方法及面區域重構方法不兼容。
在Layering（動態層）標簽下，可以設置與動態層模型相關的參數。Split Factor (分割因子)和Collapse Factor(合并因子)與Dynamic Mesh Zones中的Cell Height相關，定義其乘積下的分割與合并屬性。
在Remeshing（重劃網格）標簽下，設置與局部重劃模型相關的參數。ANSYS Fluent包含有很多種網格重構方法，主要有以下幾種：局部單元重構、局部區域重構、局部面重構（只用于3D）、面域重構、cutcell域重構（僅3D）以及2.5D面重構（3D中）。網格重構方法適合于以下網格類型：
（1）局部網格及局部面重構方法只對區域中的三角形及四面體網格有效。（例如混合網格區域中，非三角形/四面體網格將會被忽略）
（2）區域重構方法會將其它所有類型網格替換為三角形四面體網格（分別在2D及3D區域中），并且在3D邊界層中生成楔形、棱柱形網格。
（3）面域重構方法在2D中只用于三角形網格，在3D模型中只用于四面體網格。并且在3D邊界層中能夠產生楔形/棱柱形網格。
（4）切割單元區域重構方法能夠對所有網格類型有效。
（5）2.5D重構方法只在六面體網格或由三角形拉伸形成的楔形/棱柱型單元上有效。
展開 尺寸函數（Size Function）通常和局部體網格重構時結合使用，尺寸函數用于控制重構過程中的網格分布。簡單地說，尺寸函數的功能就是在運動邊界處約束網格，使其維持在一個較小的尺度，在遠離運動邊界處，逐步將其增大。在Fluent中，軟件自動標記出那些網格尺度大于當地尺寸函數值得網格。注意：尺寸函數僅僅用來在重構前標示某些網格，它并不在重構過程中控制網格尺寸，它是一種對網格的間接控制方法。
應用尺寸函數的體網格重構算法步驟：
（1） 標記出扭曲率大于“Maximum Cell Skewness”的所有網格；
（2） 如果（time=SRI*△t），標記出長度尺度小于“Minimum CellLength”或大于“Maximum Cell Length”的網格；
（3） 標記出不滿足當地尺寸函數的網格數（必須首先激活尺寸函數）；
（4） 局部重構所標記的網格；
（5） 進行光順（推薦激活光順）。
如圖所示，用戶使用尺寸函數時控制三個參數。
（1） 尺寸函數分辨率（Size Function Resolution）控制背景網格的密度。
（2） 尺寸函數變化量α（Size Function Variation），是最大允許網格尺度的量度。
（3） 尺寸函數變化率β（Size Function Rate）,是網格成長率的量度。β=0意味著線性增長，β值越大表明邊界處網格生長越慢，內部網格生長越快。
尺寸函數本身的原理很復雜，本文不再贅述。
展開 工程實例：二維活塞運動
6.局部重構法
1、基本特點 2、算法原理
3、基本設置
① 區域面網格重構 ② 局部面網格重構
③ 2.5D網格重構 ④ 尺度重構間隔
工程實例：存儲分離 工程實例：三維活塞運動
工程實例：不規則活塞運動 工程實例：兩圓柱旋轉
7.尺寸函數及耦合運動
1、尺寸函數算法 2、尺寸函數的GUI
3、尺寸函數使用技巧 4、6DOF耦合運動及原理
5、6DOF求解技巧
工程實例：耦合運動存儲分離
8.UDF基礎
1、1、UDF基礎
① UDF數據類型 ② UDF循環工具
③ 特殊數據類型及工具
2、解釋UDF與編譯UDF 3、UDF一般使用流程
工程實例：基于UDF的二維機翼強迫振動
9.UDF使用實例
1、動網格UDF介紹
① DEFINE_CG_MOTION ② DEFINE_GEOM
③ DEFINE_GRID_MOTION
工程實例：基于UDF的二維機翼強迫振動
10.振動方程數值解法
1、增量形式的振動方程
2、龍格-庫塔法求解振動方程的UDF開發
工程實例：基于UDF的二維機翼流固耦合計算
11.輔助功能及使用技巧
1、用Events功能改變邊界條件 2、定常問題求解
3、非定常計算技巧
① NITA方法加快計算速度
展開 
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Ansys Fluent獨有的局部網格重構技術可用于非結構網格、變形較大問題以及物體運動規律事先不知道而完全由流動所產生的力所決定的問題。Ansys Fluent 所具有的嵌套網格功能也極大提升了瞬態運動類型問題的分析效率。
在面對復雜流動及傳熱傳質分析問題的過程中，Ansys Fluent 的非耦合隱式算法、耦合顯示算法及耦合隱式算法可以應對各種求解需求。
該文章提出的一個mesh-free的方案，該方案的主要優勢是不改單元、不加 DOF，只在材料子程序內部，用鄰近積分點的數據做一次局部重構，就算出梯度，該策略對某個積分點 x，附近有一團“鄰居積分點” xI，作者把它們當成 mesh-free 的“節點”，對每個場變量 u(x)（可以是 γ˙a，Fp 的分量）做 MLS 擬合，如下圖所示：
權函數使用立方樣條，有緊支撐，距離越近權越大：
完成約65萬網格生成后，通過Mesh Quality檢查模塊驗證正交質量（Orthogonal Quality>0.15）、面網格增長率（<1.5）等指標，對診斷出的0.05%負體積單元采用Smooth工具進行局部重構。
相對于非結構網格，SAMR在保持局部結構化優勢前提下，利用非常直接的等分和合并規則快速地實現網格重構，比非結構網格局部重構更為高效。
1 動網格技術說明
在Fluent中用于動網格更新的模型有以下3種：
彈簧近似光順模型（Spring-Based Smoothing）、動態鋪層模型（Dynamic Layering）以及局部網格重構模型（Local Remeshing）。
彈簧近似光順模型中的位移量來修改的，進而對網格進行光順調整。通常近似光順模型和局部網格重構模型聯合使用。
因此，一個折中的方案便是對壁面附近四面體網格進行層狀化劈分處理（涉及劈層以后的局部網格重構，技術難度很大），經劈分處理得到表層網格便是棱柱體網格。
金字體網格在CSD領域應用較少，主要用于CTD和CFD計算。
圖5 動態層技術參數設置
圖6 局部網格重構參數設置
動邊界的運動方式可以采用動邊界文件(Profile)和自定義函數(UDF)來實現。其中，動邊界文件只需在記事本中按固定格式編寫后導入 FLUENT中即可。
為了避免這個問題，把質量差的網格單元進行重新劃分，這就是局部網格重構法。對于單元尺寸小于指定單元尺寸的最小值，或大于指定單元尺寸的最大值，或畸變度大于最大畸變度時，需要進行重新劃分。除了體網格重構外，邊界上網格的三角形面或線性面也將隨同體網格一起重構。
除了具有上述3種更新變形區域內體網格方法的動網格模型技術之外，FLUENT還提供了六自由度(6DOF)求解器。
在進行計算時，進、出口條件分別選取壓力進口和壓力出口；在進行動網格計算時，運動區域采用局部重構，壁面為彈性柔順光滑。
相對于非結構網格，SAMR在保持局部結構化優勢前提下，利用非常直接的等分和合并規則快速地實現網格重構，比非結構網格局部重構更為高效。
優勢三：更高的計算效率
由于SAMR具有局部結構化特征，因此可以在適應復雜幾何前提下，保證局部能夠達到傳統結構化網格的計算效率。
