非共形網(wǎng)格
關(guān)注創(chuàng)建者：CFD流 創(chuàng)建時(shí)間：2020-11-11
非共形網(wǎng)格的視頻教程
非共形網(wǎng)格的實(shí)例教程
以水管與液體為例，水管劃分為薄壁層網(wǎng)格，液體劃分為帶棱柱層的多面體網(wǎng)格，基于part劃分共形網(wǎng)格。需要案例的留下郵箱私發(fā)。
建立流固耦合模型時(shí)需要在流體域和固體域間添加交界面，但流體網(wǎng)格通常比固體網(wǎng)格更加精細(xì)，交界面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)不存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，交界面間是非共形網(wǎng)格。STAR-CCM+中流固耦合交界面使用映射接觸交界面，這種交界面不是壓印連接，而是依賴于交界面各面之間的間接關(guān)聯(lián)，用于數(shù)據(jù)映射器，這樣做的好處是允許交界面上存在非共形網(wǎng)格、映射過程沒有網(wǎng)格發(fā)生壓印，能夠保留最初創(chuàng)建的高質(zhì)量網(wǎng)格。
4）剛體運(yùn)動(dòng)與變形疊加
為了在流體域中反映結(jié)構(gòu)的變形，需要建立網(wǎng)格變形模型。在一些流固耦合的應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)在變形的同時(shí)經(jīng)歷了較大的剛體變形，結(jié)構(gòu)的位移是剛體運(yùn)動(dòng)和變形的組合。比如固定在船上的螺旋槳隨著船體晃動(dòng)的同時(shí)在水中耦合變形，作用在螺旋槳上的流體載荷和剛體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度載荷作為載荷傳遞給螺旋槳的結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)模型計(jì)算產(chǎn)生位移，螺旋槳周圍的流體網(wǎng)格隨之變形。
STAR-CCM+提供了多種形式，可以根據(jù)實(shí)際模擬的運(yùn)動(dòng)情況選擇合適的方案，要注意的是某些運(yùn)動(dòng)形式只能完成雙向或單向耦合。
3、雙向流固耦合的數(shù)據(jù)傳遞
四、風(fēng)扇流固耦合案例
1、計(jì)算域模型
幾何模型為四葉風(fēng)扇，固體域部分為扇葉。通過添加進(jìn)口段和出口段，形成封閉的流體計(jì)算域，風(fēng)扇通過滑移網(wǎng)格模擬，旋轉(zhuǎn)區(qū)域和固定區(qū)域之間通過Interface連接。
2、設(shè)置流程
3、固體域設(shè)置
1）網(wǎng)格采用定向網(wǎng)格（Directed Mesh）劃分，生成楔形網(wǎng)格，并采用高階單元。
展開 CFD 求解器是基于 Navier-Stokes 有限體積的求解器，它依賴于流體區(qū)域中的主體擬合網(wǎng)格和固體區(qū)域中的非共形網(wǎng)格。固體-固體和固體-流體邊界之間的熱界面被自動(dòng)檢測和強(qiáng)制執(zhí)行。核心求解器依賴于具有分離速度和壓力公式的并置有限體積方案。梯度計(jì)算基于保證二階精度的最小二乘公式。如圖 8 所示，我們考慮了兩個(gè)參考冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第一個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿縱向的流動(dòng)，而第二個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿橫向的流動(dòng)。 CFD 模擬中的總單元數(shù)約為 2M 單元 - 1.23M 用于流體體積，其余用于網(wǎng)格劃分固體。在這兩種情況下，冷卻液以每小時(shí) 300 升的速度在 20 ℃ 的溫度下注入。出口被建模為向大氣開放的零壓力出口。
圖 9：縱向（頂部）和橫向（底部）功率模塊的計(jì)算溫度曲線
圖 9 所示為功率模塊縱向和橫向流動(dòng)的溫度曲線。 從圖中可以看出，縱向流動(dòng)可以在整個(gè)功率模塊上獲得相對(duì)均勻的結(jié)溫，約為70℃，而橫向流動(dòng)則導(dǎo)致功率模塊中心溫度分布不均勻，溫度較低。 橫向流動(dòng)導(dǎo)致溫度分布不均勻，因?yàn)樵谡麄€(gè)功率模塊中流動(dòng)不均勻。 橫向和縱向流動(dòng)都可以受益于歧管設(shè)計(jì)，以保持整個(gè)功率模塊的溫度均勻。 當(dāng)我們稍后考慮電源組件的設(shè)計(jì)時(shí)，我們將研究這種設(shè)計(jì)。
4、結(jié)論
我們研究了電動(dòng)汽車逆變器功率模塊的設(shè)計(jì)和仿真方面。 特別是，我們研究了功率模塊的電氣和熱行為。 我們將一維等效行為模型與 CFD 求解器結(jié)合起來計(jì)算結(jié)溫，并能夠設(shè)計(jì)參考冷卻系統(tǒng)以將 IGBT 和二極管的結(jié)溫保持在其工作范圍內(nèi)。
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展開 圖1 “前前處理”引導(dǎo)用戶進(jìn)行VOF多相流設(shè)置
2）幾何網(wǎng)格模塊全新升級(jí)
幾何處理與網(wǎng)格劃分能力直接影響了通用CFD軟件的產(chǎn)品體驗(yàn)，對(duì)求解效率、精度及穩(wěn)定性至關(guān)重要。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員需要一款操作簡單、全流程業(yè)務(wù)閉環(huán)的仿真產(chǎn)品，滿足快速迭代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。仿真工程師則已有固定的網(wǎng)格劃分工具及習(xí)慣，要求CFD產(chǎn)品支持大規(guī)模、多類型的網(wǎng)格導(dǎo)入和編輯功能，最大程度發(fā)揮求解器的能力。
AICFD 2024R1全新升級(jí)幾何網(wǎng)格模塊，支持復(fù)雜幾何的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，整個(gè)流程人工干預(yù)少，生成網(wǎng)格質(zhì)量高，具體如下：
◆ 豐富網(wǎng)格劃分工具箱：全流程支持“幾何導(dǎo)入-面網(wǎng)格設(shè)置-體網(wǎng)格設(shè)置-邊界層設(shè)置-局部加密-質(zhì)量檢查”的業(yè)務(wù)閉環(huán)，操作高效簡潔、功能魯棒性強(qiáng)；
圖2 AICFD水泵網(wǎng)格劃分案例
◆ 支持非共形交界面與多面體網(wǎng)格：軟件支持復(fù)雜幾何模型的非共形網(wǎng)格交界面拼接，求解器通過高精度插值算法保證交界面計(jì)算精度；多面體網(wǎng)格則有助于減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計(jì)算精度與效率，在汽車、船舶、熱交換器和化工設(shè)備仿真中有廣泛的應(yīng)用；
圖3 AICFD多面體非共形交界面測試案例
◆ 提升網(wǎng)格處理效率與規(guī)模上限；
◆ 大幅提升求解前處理效率、優(yōu)化內(nèi)存占用與并行分區(qū)效率；
◆ 網(wǎng)格處理規(guī)模上限提升至10億單元，支持超大規(guī)模工業(yè)級(jí)案例；
◆ 新增交界面自動(dòng)匹配功能，大幅減少多域場景的前處理工作量。
圖4 AICFD前處理效率與能力提升
3）AI加速模塊全新升級(jí)
天洑堅(jiān)持核心求解器從0到1國產(chǎn)自研，在突破國外技術(shù)壟斷的同時(shí)，也保障了底層算法架構(gòu)的可拓展性，為人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用提供強(qiáng)力支撐。AI加速功能的成功落地便體現(xiàn)了這種后發(fā)優(yōu)勢。
展開 在網(wǎng)格剖分時(shí)，是僅針對(duì)陣列模型中數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)不同的3D組件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，然后再復(fù)用到其他相同的單元，從而極大的縮減了大規(guī)模陣列網(wǎng)格剖分的時(shí)間。
在求解時(shí)，陣列模型會(huì)自動(dòng)把各個(gè)單元看作是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的子域，進(jìn)行并行計(jì)算，提高求解效率。
所以整體上基于3D組件的有限大陣方法是3D組件的網(wǎng)格裝配技術(shù)和傳統(tǒng)有限大陣方法的結(jié)合，既有3D組件網(wǎng)格裝配的網(wǎng)格復(fù)用功能，又有傳統(tǒng)有限大陣的并行求解速度。從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)具有不相同單元的有限周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，這種新的仿真技術(shù)可以縮短內(nèi)存使用量，縮短仿真時(shí)間，并且可以利用共享內(nèi)存來利用分布式計(jì)算資源。
當(dāng)然，進(jìn)行基于3D組件的有限大陣仿真，對(duì)于單元也有一些要求：
單元格被定義為3D組件
單元格邊界框的尺寸是相同的
主單元和從屬邊界定義在單元的表面上
在求解過程中，HFSS在單位單元之間創(chuàng)建非共形網(wǎng)格接口，從而減少了內(nèi)存占用并提高了仿真性能。
下圖是一個(gè)包含兩個(gè)不同極化子陣的天線陣列，另外每個(gè)子陣外圍還有部分空白基板區(qū)域。其中水平極化子陣單元和垂直極化子陣單元的饋電位置不同。
要對(duì)這樣的模型進(jìn)行基于3D組件的有限大陣建模，首先需要將整個(gè)模型分成三種周期性單元，分別是空白基板部分，水平極化子陣的貼片單元和垂直極化子陣的貼片單元。
接下來就可以按照原來陣列的布局進(jìn)行陣列建模，整個(gè)建模過程完全基于有限大陣的蒙版。
完成建模后，便可以進(jìn)行仿真。整個(gè)仿真過程也采用了網(wǎng)格復(fù)用技術(shù)和區(qū)域分解技術(shù)，加速了整個(gè)求解過程。
完成求解后，與全陣建模一樣，也可以任意編輯單元的幅度相位進(jìn)行后處理。
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AICFD 2024R1全新升級(jí)幾何網(wǎng)格模塊，支持復(fù)雜幾何的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成，整個(gè)流程人工干預(yù)少，生成網(wǎng)格質(zhì)量高，具體如下：
◆ 豐富網(wǎng)格劃分工具箱：全流程支持“幾何導(dǎo)入-面網(wǎng)格設(shè)置-體網(wǎng)格設(shè)置-邊界層設(shè)置-局部加密-質(zhì)量檢查”的業(yè)務(wù)閉環(huán)，操作高效簡潔、功能魯棒性強(qiáng)；
圖2 AICFD水泵網(wǎng)格劃分案例
◆ 支持非共形交界面與多面體網(wǎng)格：軟件支持復(fù)雜幾何模型的非共形網(wǎng)格交界面拼接
STAR-CCM+中流固耦合交界面使用映射接觸交界面，這種交界面不是壓印連接，而是依賴于交界面各面之間的間接關(guān)聯(lián)，用于數(shù)據(jù)映射器，這樣做的好處是允許交界面上存在非共形網(wǎng)格、映射過程沒有網(wǎng)格發(fā)生壓印，能夠保留最初創(chuàng)建的高質(zhì)量網(wǎng)格。
4）剛體運(yùn)動(dòng)與變形疊加
為了在流體域中反映結(jié)構(gòu)的變形，需要建立網(wǎng)格變形模型。
CFD 求解器是基于 Navier-Stokes 有限體積的求解器，它依賴于流體區(qū)域中的主體擬合網(wǎng)格和固體區(qū)域中的非共形網(wǎng)格。固體-固體和固體-流體邊界之間的熱界面被自動(dòng)檢測和強(qiáng)制執(zhí)行。核心求解器依賴于具有分離速度和壓力公式的并置有限體積方案。梯度計(jì)算基于保證二階精度的最小二乘公式。如圖 8 所示，我們考慮了兩個(gè)參考冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。第一個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿縱向的流動(dòng)，而第二個(gè)設(shè)計(jì)考慮沿橫向的流動(dòng)。
以水管與液體為例，水管劃分為薄壁層網(wǎng)格，液體劃分為帶棱柱層的多面體網(wǎng)格，基于part劃分共形網(wǎng)格。需要案例的留下郵箱私發(fā)。
通過建立單個(gè)陣元模型，用戶僅需對(duì)一個(gè)單元自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分，用域分解DDM技術(shù)進(jìn)行求解，使單元與非共形網(wǎng)格分析相結(jié)合，既可以比擬完整建模的高精度，又可以使求解如同單元法般靈活高效，為整個(gè)仿真過程提供了令人難以置信的效率而又不降低準(zhǔn)確性。
通過建立單個(gè)陣元模型，用戶僅需對(duì)一個(gè)單元自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)剖分，用域分解DDM技術(shù)進(jìn)行求解，使單元與非共形網(wǎng)格分析相結(jié)合，既可以比擬完整建模的高精度，又可以使求解如同單元法般靈活高效，為整個(gè)仿真過程提供了令人難以置信的效率而又不降低準(zhǔn)確性。
當(dāng)然，進(jìn)行基于3D組件的有限大陣仿真，對(duì)于單元也有一些要求：
單元格被定義為3D組件
單元格邊界框的尺寸是相同的
主單元和從屬邊界定義在單元的表面上
在求解過程中，HFSS在單位單元之間創(chuàng)建非共形網(wǎng)格接口，從而減少了內(nèi)存占用并提高了仿真性能。
