ANSYS ICEM網(wǎng)格劃分中有洞問題的分析

 摘要:在葉片式流體機械CFD數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分階段,用ANSYS ICEM生成網(wǎng)格時易出現(xiàn)/有洞0現(xiàn)象.通過不斷改變質(zhì)心點的位置,分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,探索解決葉片式流體機械CFD數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分時易出現(xiàn)/有洞0問題的辦法.指出正確地創(chuàng)建體是解決這種問題的關(guān)鍵;闡述如何正確地創(chuàng)建體,以及正確創(chuàng)建體的2種方法.經(jīng)實例驗證表明,2種創(chuàng)建體的方法對解決網(wǎng)格劃分中的/有洞0問題很有效,能夠順利地生成符合數(shù)值計算所需要的網(wǎng)格.對于結(jié)構(gòu)簡單的部分用兩基點法創(chuàng)建體比較快捷,對于結(jié)構(gòu)和幾何形狀復(fù)雜的部分用表面法創(chuàng)建體,可以迅速解決/有洞問題.

  在進(jìn)行數(shù)值求解流體動力學(xué)問題時,理論上對于一個給定的物理模型,在完成正確的實體造型后,只需進(jìn)行簡單的操作,便可以生成所需要的網(wǎng)格[1-3].但事實并非如此,多數(shù)進(jìn)行流場數(shù)值模擬的初始計算者在對較復(fù)雜形狀過流通道劃分網(wǎng)格時,常常會遇到/有洞的困擾,給數(shù)值模擬的順利進(jìn)行帶來了一定困擾和麻煩.

  鑒于上述情況,本文通過實例對造成網(wǎng)格劃分時易出現(xiàn)/有洞0問題的原因進(jìn)行剖析,并對兩基點法創(chuàng)建體進(jìn)行重點研究,探索出解決葉片式流體機械CFD數(shù)值模擬中的網(wǎng)格劃分時易出現(xiàn)/有洞問題的方法.

  1 網(wǎng)格劃分的基本概念

  1.1 網(wǎng)格生成

  從概念上網(wǎng)格可以這樣生成:給定對應(yīng)物理域邊界坐標(biāo)的E、G值,然后通過邊界點連接2組坐標(biāo)線,交叉構(gòu)成內(nèi)部節(jié)點.從某種意義上網(wǎng)格生成是一個邊值問題:給定域R的邊界5R上的值E=Eb(x,y),G=Gb(x,y),然后求內(nèi)點的E=E(x,y),G=G(x,y)值,以物理(一般為直角坐標(biāo))坐標(biāo)(x,y)為自變量,曲線坐標(biāo)(E,G)為因變量.

  1.2 創(chuàng)建體

  ANSYS ICEM CFD是基于有限體積法進(jìn)行網(wǎng)格劃分的[4-5].為便于理解,本文把封閉的過流通道稱為空腔.在ICEM中有流體經(jīng)過的區(qū)域是通過創(chuàng)建合適的體來表示的,它是由實體模型組成的封閉空腔.在同一個模型中,各部分流體運動情況是不同的,所以需要創(chuàng)建不同的體.如水輪機中的轉(zhuǎn)輪、主軸是繞軸線旋轉(zhuǎn)的,為動體;引水部分及尾水部分為靜止不動的,則設(shè)為靜體.

  1.3 正確的網(wǎng)格顯示

  ANSYS ICEM CFD軟件在正確劃分出符合要求的貼體坐標(biāo)網(wǎng)格后[6-8],造型中的實體部分顯示是空的,而只顯示該部分實體與流體接觸的面網(wǎng)格(此時,關(guān)閉體網(wǎng)格顯示功能則面網(wǎng)格顯示更清楚).例如:導(dǎo)葉在造型時為實體,在網(wǎng)格劃分后的模型中顯示是空的,如圖1所示.它可以用來檢查所劃分的網(wǎng)格是否符合計算域的要求.

  2 網(wǎng)格生成實例剖析及應(yīng)用

  本文實例模型為自行設(shè)計的HL120水輪機,并在Pro/E中進(jìn)行實體造型,其三維造型的總體效果如圖2所示.

  2.1 有洞現(xiàn)象綜述

  在Pro/E中將上面完成的實體造型保存為wanzheng.step文件,并將該文件導(dǎo)入ANSYS ICEMCFD中,各部分創(chuàng)建面的情況是:進(jìn)口面、蝸殼面、座環(huán)面、活動導(dǎo)葉面、固定導(dǎo)葉面、上冠面、下環(huán)面、葉片面、尾水管面及出口面,并在動靜結(jié)合處建立了兩個耦合面.用兩基點法創(chuàng)建3個體,如圖1所示.創(chuàng)建體1(BODY1)所選的用于產(chǎn)生質(zhì)心點的兩個基點的位置在蝸殼進(jìn)口處;創(chuàng)建體3的兩個基點選在尾水管出口處;創(chuàng)建體2的兩個基點分別取在上冠和下環(huán)上,由這兩個基點生成的質(zhì)心點的位置在上冠的上側(cè).用適用性強的Tetra/mixed網(wǎng)格類型劃分網(wǎng)格[9],其結(jié)果彈出有洞提示對話框.

  2.2 有洞現(xiàn)象剖析

  相信大多數(shù)ICEM的使用者在網(wǎng)格化分中看到/Your geometry has a hole,do you want to re-pair it?0的有洞提示時,第一反應(yīng)往往都是認(rèn)為網(wǎng)格劃分不成功,是自己的三維造型存在問題;或認(rèn)為造型的某兩個面結(jié)合處尺寸不夠匹配、存在縫隙;或認(rèn)為葉片造型時某些面沒有被完全正確地切割;再加上某些三維造型軟件在顯示模型時存在著一定的失真現(xiàn)象等.總之,由于各種因素的摻雜,使造成/有洞0的真正原因何在判斷不清,所以便盲目地反復(fù)審查、修改三維實體模型.但當(dāng)模型修改并確認(rèn)無誤后重新劃分網(wǎng)格時,/有洞0的現(xiàn)象依然存在.當(dāng)點擊提示對話框的/是0以后,窗口顯示的界面如圖3所示.此時整個模型是用線條表示的,并多出了一條連接/ORFN0的線,它的另一端連接著體2,并注意到此時信息窗口出現(xiàn)下面的提示,/material point OR-FN/-1 can reach material point body 20.

  分析是否是所建的體有問題.首先刪除體1,即相當(dāng)于不建立體1,其余不變重新劃分網(wǎng)格,仍然提示/有洞0;然后恢復(fù)體1,刪除體2,其他不變重新劃分網(wǎng)格,有洞現(xiàn)象消除,結(jié)果如圖4所示.在檢查網(wǎng)格劃分情況時發(fā)現(xiàn),所畫出的網(wǎng)格不是所需要的,可看出整個動體部分即轉(zhuǎn)輪部分并未劃分網(wǎng)格,可能是體2有問題.為驗證體2是否有問題,重新恢復(fù)體2,刪除體3;結(jié)果又彈出有洞提示對話框,說明體2確實存在問題.

  出現(xiàn)有洞提示的原因是體2創(chuàng)建不合適,那么接下來的問題是怎樣正確地創(chuàng)建出體2.實際操作中,通過不斷地改變這2個基點的位置(這樣由這兩個基點產(chǎn)生的質(zhì)心點的位置也不同)來分析研究對網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的影響:

  1)在上冠表面和下環(huán)表面分別選一點,質(zhì)心點位于上冠線的上側(cè),結(jié)果提示/有洞0;

  2)在上冠表面和下環(huán)表面分別再重新選一點,并觀察質(zhì)心點的位置,它處于轉(zhuǎn)輪內(nèi)并在葉片上,結(jié)果沒有彈出/有洞0提示,表明網(wǎng)格劃分成功;但檢查整個轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格劃分情況時發(fā)現(xiàn),只有在一個單葉片上劃有網(wǎng)格,其余葉片上都沒有網(wǎng)格,如圖5所示,說明所劃出的網(wǎng)格不符合要求;

  3)仍在上冠表面和下環(huán)表面再分別選一點,并使質(zhì)心點處在封閉轉(zhuǎn)輪內(nèi)部且不位于葉片上,結(jié)果有洞現(xiàn)象消除,檢查網(wǎng)格劃分情況,網(wǎng)格劃分成功,完全符合要求;

  4)在上冠及耦合面2(即轉(zhuǎn)輪出口與尾水管入口的交界面)上分別選一點,質(zhì)心點位于上冠的上側(cè),不在封閉轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部,結(jié)果顯示有洞;

  5)再在上冠及耦合面2上分別選一點,質(zhì)心點位于上冠的下側(cè),在封閉轉(zhuǎn)輪的內(nèi)部,并且不處在任何實體內(nèi),結(jié)果網(wǎng)格劃分成功且符合要求;

  6)在葉片上創(chuàng)建一點,在葉片臨近的下環(huán)處創(chuàng)建另外一點,這樣質(zhì)心點位于封閉的轉(zhuǎn)輪內(nèi),并且不在轉(zhuǎn)輪內(nèi)的任何模型實體上,結(jié)果網(wǎng)格劃分成功且符合要求.

  2.3 有洞處理方法

  從上述操作實例中可以看出,由于所選的2個基點的位置不同,使得質(zhì)心點的位置也不同,從而導(dǎo)致網(wǎng)格劃分出現(xiàn)了不同的情況.分析上述各種情況,不難得出處理有洞問題的方法:

  1)要保證所選的2個基點在所要建體的封閉模型的面上,即所選的2個基點必須在圍成同一個空腔的封閉表面上(不一定必須是外表面),且不能越過耦合面,這個封閉的空腔一般是在造型時就已經(jīng)完成的;

  2)應(yīng)使這2個基點的質(zhì)心點位于空腔內(nèi),就是當(dāng)封閉空腔內(nèi)充滿流體時該質(zhì)心點應(yīng)該完全被流體/淹沒0.這里完全淹沒是指該質(zhì)心點不能與實體模型的任何一個面有接觸,更不能位于任一個實體內(nèi).例如:葉片是轉(zhuǎn)輪封閉空腔內(nèi)的實體,若該質(zhì)心點位于葉片內(nèi),則軟件會自動默認(rèn)這個葉片的內(nèi)部小封閉空間為要創(chuàng)建的體,即認(rèn)為葉片內(nèi)部是有流體經(jīng)過的,這是不符合要求的;網(wǎng)格劃分后雖然并未提示有洞,這時體2部分劃出的網(wǎng)格只有單個葉片,如圖5所示.通常在創(chuàng)建體之后,最好先檢查該質(zhì)心點是否滿足被流體完全/淹沒0,這是創(chuàng)建體的關(guān)鍵.由于該質(zhì)心點是空間點,在三維圖中的位置通常不好直接確定,此時可以把顯示面的功能關(guān)閉,只打開顯示線功能,并使模型調(diào)整到適當(dāng)?shù)慕嵌?仔細(xì)觀察.

  一般在造型無誤的前提下,同時滿足以上2條要點以后,符合要求的計算網(wǎng)格就能成功地劃分出來.在實際創(chuàng)建體的過程中,對于構(gòu)造簡單的模型,如蝸殼可直接在其進(jìn)口處接近對稱地選2個基點、尾水管則在其出口處接近對稱地選2個基點進(jìn)行創(chuàng)建體,因為在進(jìn)、出口附近沒有其他實體,不會對質(zhì)心點是否被/淹沒0造成影響.而對于復(fù)雜的模型,應(yīng)該先對質(zhì)心點的位置做出大致的判斷,這樣有助于在適合的兩個面上選點,使得由這2個基點產(chǎn)生的質(zhì)心點能夠被流體完全/淹沒0,做到有的放矢.如轉(zhuǎn)輪部分可以在下環(huán)上選一點,并在與該點相鄰的葉片上選一點,這樣就避免了質(zhì)點不被流體淹沒或落在其他實體上的可能.如果不作分析判斷直接盲目地在轉(zhuǎn)輪的上冠上選一點,然后在下環(huán)上再選另外一點,就很難保證這兩點的質(zhì)心一定被流體淹沒;有可能位于葉片的表面或?qū)嶓w內(nèi)部;也有可能位于轉(zhuǎn)輪封閉空腔外部;從而也就很難保證所選的體是合適的,就有可能導(dǎo)致出現(xiàn)網(wǎng)格劃分/有洞0等不成功的現(xiàn)象.

  另外,用表面創(chuàng)建體的方法也可解決上述/有洞0的問題.事實上,用兩基點法創(chuàng)建體有時并不能準(zhǔn)確地創(chuàng)建出所需要的體,它對于結(jié)構(gòu)比較簡單的部分(像尾水管等)創(chuàng)建體是比較快捷的,但對于結(jié)構(gòu)和幾何形狀比較復(fù)雜的部分(像轉(zhuǎn)輪)創(chuàng)建體就顯示不出優(yōu)勢.筆者認(rèn)為,對于結(jié)構(gòu)和幾何形狀復(fù)雜的部分用表面法創(chuàng)建體,可以迅速解決/有洞0問題.

  2.4 應(yīng)用實例

  實例1 按照上面對兩基點法創(chuàng)建體的論述,筆者在分析了轉(zhuǎn)輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)以后,在封閉轉(zhuǎn)輪內(nèi)選2個基點,使其分別位于2個相鄰葉片上,并且使其中一點位于前一個葉片的背面,另一點位于后一個葉片的正面;這樣確保質(zhì)心點位于封閉的空腔內(nèi),并被水完全淹沒,如圖6和圖7所示.這樣便滿足了上面提出的2點要求.然后劃分網(wǎng)格,結(jié)果顯示成功,檢查網(wǎng)格也符合要求,問題解決.

  實例2 本例靜體部分體的創(chuàng)建用兩基點法;動體(轉(zhuǎn)輪即體2)部分體的創(chuàng)建用表面法.其中體2創(chuàng)建步驟如下:

  1)在體的創(chuàng)建界面里,點擊用表面法創(chuàng)建體的圖標(biāo),并選中/selected surfaces0;

  2)選取所要創(chuàng)建體的封閉的外表面,并將外表面全部選取,然后單擊/確定0創(chuàng)建體;其中圖8黑色部分為已被選擇的單個表面;

  3)其余不變,點/comput0開始劃分網(wǎng)格;

  4)結(jié)果顯示網(wǎng)格劃分成功,且符合要求,/有洞0問題也得到了解決.

  3 結(jié)論

  1)通過實例分析得出在造型正確的情況下,不能正確地創(chuàng)建體是出現(xiàn)/有洞0現(xiàn)象的主要原因.

  2)總結(jié)出用兩基點法正確創(chuàng)建體的兩條要點,這是解決有洞問題的關(guān)鍵.

  3)提出解決網(wǎng)格劃分中有洞現(xiàn)象的另一種處理方法即表面法,它對迅速解決有洞問題比較有效.

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  作者簡介:齊學(xué)義(1945-),男,遼寧臺安人,教授,博導(dǎo).題的方法.

  收稿日期: 2010-07-07