1、附錄 A網格質量,概述,網格質量度量 Skewness 可接受比 最差單元 FLUENT 求解器的網格質量考慮 一般考慮 求解中網格質量的影響 CFX 求解器的網格質量考慮 網格質量影響因子 CAD 問題 網格分解和分布 劃分方法 膨脹 改進網格質量策略 CAD 清除 虛擬拓撲 收縮控制 理性網格尺寸和膨脹設置 一般推薦 作業(yè) A.1 汽車集流管的虛擬拓撲 作業(yè) A.2 FLUENT 和CFX 網格質量度量,ANSYS 網格劃分的網格度量,Mesh選項中可得到Mesh Metric，可對其進行設置和查看來評估網格質量 不同物理環(huán)境和不同求解器對網格質量有不同的要求 ANSYS 網格劃分中可得到

2、的網格度量有: 單元質量 縱橫比 雅可比 扭曲因子 平行誤差 最大拐角 偏斜,偏斜 兩種方法定義偏斜: 基于等邊形的體的誤差: 偏斜 = 只用于三角形和四面體 三角形和四面體的默認方法 基于規(guī)一化的角誤差: 偏斜 = 其中 是等角的面 /單元 (對三角形和四面體為60, 對四邊形和六面體為90) 適用于所有的面和單元形狀 使用于棱柱和棱錐,最優(yōu) (等邊的) 單元,實際單元,球,網格質量度量,網格質量度量,縱橫比 一般三角形和四邊形的形貌是最長比與最短邊比的函數(shù)(詳細見 User Guide) 對等邊三角形或正方形等于1 (理想的),ANSYS 網格質量統(tǒng)計,對表面網格(在預覽表面網格生成后)和

3、體網格 (在預覽膨脹層或網格生成后) 已選擇的網格度量，將顯示 min, max, averaged和standard deviation 在樹狀略圖的Mesh對象下，使用Show Worst Elements 可突出顯示最壞單元,FLUENT網格質量考慮事項,FLUENT 需要高質量的網格來避免數(shù)值發(fā)散 涉及幾個網格質量度量, 但skewness 是主要的度量 縱橫比和胞格尺寸也很重要 最壞情況并取決使用的求解器(基于密度或基于壓力)， FLUENT 可容忍差的網格質量，而一些程序可能需要更高的網格質量，分辨和好的網格分布 差質量單元的位置有助于確定它們的影響 Statistics 中將得到

4、一些總體的網格質量度量 其它網格質量度量FLUENT用戶圖形界面菜單中 Mesh/Info/Quality下得到, 或使用 TUI命令mesh/quality,FLUENT網格質量要求,對Fluent最重要的網格質量度量是: Skewness Aspect Ratio Cell Size Change (ANSYS 網格不能執(zhí)行) 對所有或大多數(shù)程序: Skewness: 對六面體, 三角形和四邊形: 應小于 0.8 對四面體: 應小于 0.9 Aspect Ratio: 應小于 40, 但取決于流體特性 膨脹層可容忍大于 50 Cell Size Change: 應在1與2之間,差網格質量可

5、能導致不精確求解和緩慢收斂 一些程序可能要求比建議值更低的偏斜值,Skewness 和 Fluent 求解器,不推薦高 skewness 值 一般保持體網格最大 skewness 值 0.95。而這個值和物理分析類型和單元位置緊密相關 如果體網格包含退化單元，F(xiàn)LUENT 會報告負的單元體積 skewness網格質量度量等級: *一些情況下，基于求解器的壓力可運用包含少量skewness為0.98單元的網格.,(max,avg)CSKEW=(0.912,0.291) (max,avg)CAR=(62.731,7.402),(max,avg)CSKEW=(0.801,0.287) (max,av

6、g)CAR=(8.153,1.298),VzMIN-100ft/min VzMAX400ft/min,VzMIN-90ft/min VzMAX600ft/min,求解中網格質量的影響,Large cell size change,例子,網格 2,網格 1,CFX網格質量考慮事項,CFX求解器對網格質量要求和FLUENT 求解器有點不同，由于兩個編碼的求解器結構的不同 Fluent 求解器是單元為中心的,流體變量計算在單元的中心分配, 其網格單元和求解器單元相同 CFX 求解器是頂點為中心的 ，流體變量單元在頂點存儲,求解器單元是雙重網格單元。這意味著網格單元的頂點是求解器單元的中心,CFX網格

7、質量考慮事項,CFX 求解器有3個重要的網格度量標準，每次運行和更新開始的畸形網格 網格正交性 縱橫比 擴展因子,+-+ | Mesh Statistics | +-+ Domain Name: Air Duct Minimum Orthogonality Angle degrees = 20.4 ok Maximum Aspect Ratio = 13.5 OK Maximum Mesh Expansion Factor = 700.4 ! Domain Name: Water Pipe Minimum Orthogonality Angle degrees = 32.8 ok Maximu

8、m Aspect Ratio = 6.4 OK Maximum Mesh Expansion Factor = 73.5 ! Global Mesh Quality Statistics : Minimum Orthogonality Angle degrees = 20.4 ok Maximum Aspect Ratio = 13.5 OK Maximum Mesh Expansion Factor = 700.4 !,好的 (OK),可接受的(ok),可疑的 (!),正交性度量由以下組成: ip-face 法向向量, n, 與 node-to-node 向量, s.,正交性椅子 = ns,

9、 1/3 想要的 正交角 = 90-acos(ns), 20 想要的 這不同于CFD后處理中Max/Min面角? YES! 對應于邊之間角的面角 如果一單元在兩個方向偏斜，可有一個可接受面角和一不可接受正交角,CFX網格正交性,CFX網格擴展因子,擴展因子度量相對控制體質心的差節(jié)點位置,網格擴展因子 節(jié)點周圍的最大單元體積和最小單元體積的比 20 是想要的 在CFD后處理中，網格擴展因子本質上和單元體積比是同樣的,CFX網格縱橫比,縱橫比度量控制體的伸長,縱橫比 = 節(jié)點周圍每個單元最大和最小ip-areas的比的最大值 , 100 是想要的 在CFD后處理中， 縱橫比和邊長度比很相似,CFX

10、網格質量重要性,離散誤差的來源 流量逼近法中非正交性引入誤差 存儲和源逼近法中大網格擴展引入誤差 離散誤差的擴大 對減小非正交性誤差的校正可引起非物理影響 線性化方程求解難點 大縱橫比需要使用更多重要數(shù)字(如，雙精度求解器的使用),為什么網格質量重要?,網格質量影響要素,CAD 問題 小邊, 尖銳邊和面 邊和面間小縫隙 /通道 未連接幾何體,需確定CAD問題并消除,網格質量影響要素,網格分解和分布 急劇變化的幾何，不連續(xù)或小縫隙可能需要更多分解 適當?shù)木W格分布可預測物理條件 不適當?shù)姆纸夂头植?可能導致大的單元尺寸變化，縱橫比和(或)偏斜,網格質量影響要素,尺寸功能類型 不適當?shù)氖褂?(或根本

11、不使用) 高級尺寸功能 (ASF) 可能導致差網格質量 對彎曲特征支配的幾何使用Curvature ASF 對有縫隙或狹窄成份的幾何使用 Proximity ASF 對綜合這些特征的幾何使用 Curvature and Proximity ASF,ASF 可用來消除 !,網格質量影響要素,劃分方法 劃分方法不適當?shù)氖褂?(自動, 四面體, 掃掠, 多區(qū) 和CFX-網格) 會導致大的偏斜 劃分方法的選擇取決于幾何和應用程序 使用Outline中Mesh 對象下Show the Sweepable Bodies 是一個好習慣 許多程序利用 Patch Conforming 和掃掠劃分方法,A re

12、latively “good” mesh in terms of max skewness, however the average and standard deviation are large,網格質量影響要素,膨脹 不適當?shù)? 表面網格質量 膨脹表面選擇 膨脹選項 膨脹算法 (compression 或 stair-stepping層) 膨脹參數(shù) 高級膨脹選項 可能導致差的網格質量!,受影響的膨脹,改進網格質量策略,CAD 清除 使用 CAD 或 DM: 簡化幾何 合并小邊 合并邊以減少面的數(shù)量 避免狹窄面 只在重要地方保留體間隙 分解幾何 移除不必要幾何 幾何相加 幾何修補,DM中分

13、裂邊/項目邊/合并面后,改進網格質量策略,虛擬拓撲 AM中使用VT 在簡化幾何細節(jié) 可在Outline中Model 下添加 創(chuàng)建虛擬邊/面可改進網格 如果結果表面網格扭曲，則考慮修整 DM或CAD中幾何問題,用寬面虛擬合并狹小面后,改進網格質量策略,收縮控制 允許在網格水平移除小的特征 (小邊或狹小面 ) 供 Patch-Conforming 四面體方法使用 當收縮標準合適的時候，小的特征從網格中消除,用Outline中Mesh下Pinch Controls自動探測收縮位置,改進網格質量策略,Sensible 網格尺寸和膨脹設置,最小尺寸減少 2X 以適應狹小幾何。結果網格質量得到改進。局部面

14、尺寸也可能使用。,一般建議 如果體網格滿足以下一個或更多條件，則認為不可接受: FLUENT網格非常高的偏斜( 0.98) 退化單元 (偏斜 1) 高縱橫比單元 負體積 單元質量改進: 改進表面網格質量 移動網格節(jié)點 CAD 修整幾何問題如尖角, 小邊, 合并面和/或分解幾何 DM 中Clean-up工具簡化幾何和它們的實體 ANSYS Meshing程序中不同方法，全局和局部尺寸和參數(shù) ANSYS Meshing 程序中收縮控制消除小特征 ANSYS Meshing 程序中虛擬拓撲以簡化幾何,改進網格質量策略,混雜的,如果模型包含多個部件或體，需在Outline 中Geometry對象下加亮

15、它們來顯示網格度量信息 影響體 (BOI)技術也可用來控制網格質量和適當局部分解 包括直方圖的更多高級網格度量可通過FEM中FE Modeler Mesh Metrics展示 也可在CFD 后處理中查看不同網格質量度量,汽車集流管的虛擬拓撲,作業(yè) A.1,目標,這個作業(yè)使用作業(yè) 5.2的集流管幾何. 這個幾何包含很多有問題的小面和尖角。,作業(yè) 5.2中, Patch Independent 方法被用來生成了一個高質量網格，而不用修改幾何。這個作業(yè)中將使用虛擬拓撲移除問題幾何，然后使用默認的Patch Conforming 網格劃分方法。,開始項目,啟動ANSYS 12.0 Workbench

16、點擊左邊工具箱中 Component Systems 雙擊 Mesh 選項將其添加到項目示圖區(qū) 在 Project Schematic中右擊 Geometry 并選擇 Import Geometry Browse. 選擇 Auto-Manifold.agdb文件,命名選項,接下來, 確定Named Selections 被引入 Meshing: 右擊 cell A2 然后選擇 Properties 確保Named Selections 是選中的, 并且 Named Selection Key 是空白的 關閉 Properties 窗口,編輯網格,編輯網格 (cell A3) 打開網格劃分窗口

17、抑制流體區(qū)域，對固體劃分網格: 選擇工具欄的 Body selection圖標 選擇內部流體區(qū)域, 以致其綠色加亮顯示, 然后右擊并選擇 Suppress Body,網格設置,選擇Outline中Mesh 在 Details 中設置Physics Preference為CFD 這里假設固體中熱傳遞用CFD求解器求解,展開 Sizing 選項，設置: Span Angle Center = Medium Min Size = 1.0 mm Max Face Size = 10.0 mm Max Tet Size = 10.0 mm 右擊Outline中Mesh 并選擇 Preview Surfa

18、ce Mesh 由于體是不可掃掠的, 將應用默認的 Patch Conforming方法,檢查網格,Patch Conforming 方法劃分每個單獨表面 。在這個幾何中將使某些面產生差的網格質量。 檢查表面網格并注意差網格質量區(qū)域。通過在Geometry和Mesh 間切換，使差網格質量區(qū)域和下表面幾何相聯(lián)系。這里顯示了幾個例子:,添加虛擬拓撲,虛擬拓撲允許合并相鄰面，移除不想要的表面幾何特征，并生成更高質量網格。 右擊 Model (A3) 并選擇 select Insert Virtual Topology Virtual Topology項添加到了 Outline 中 Details 中

19、注意Behaviour 設為 Low 右擊 Virtual Topology 并選擇 Generate Virtual Cells 自動使用 “Low” 合并策略創(chuàng)建虛擬單元。 “Medium” 和 “High” 策略可能導致更多面合并成虛擬單元,虛擬拓撲,當選擇了Virtual Topology ，指示器會顯示所有已創(chuàng)建的虛擬單元。 檢查新的表面幾何，注意到大多問題面已被合并為一個 cleaner 表面幾何 Details 中將 Behaviour 改為Medium 右擊 Virtual Topology 并選擇 Generate Virtual Cells,注意更多的面合并到虛擬單元 嘗試

20、使用Behaviour的High選項生成虛擬單元 如右邊所示，這個選項不能作用于這個幾何 切換回 Medium 選項，重新生成虛擬單元,檢查改進網格,重新生成表面網格，并檢查前面出現(xiàn)差質量網格的區(qū)域 應該發(fā)現(xiàn)表面得到很大地改進 仍然有些區(qū)域的網格需要改進. 下面箭頭標示的是其中一個區(qū)域. 如果放大并檢查幾何，會發(fā)現(xiàn)表面的邊上有個缺陷,手動添加虛擬單元,可手動添加虛擬單元進一步改進網格 拾取工具欄的Face selection 圖標 視圖方向大約如下所示 (注意 X-Y軸) 從 Outline 中選擇Virtual Topology 選擇如下4個面, 然后右擊并選擇 Insert Virtual

21、 Cell,1,2,4,3,檢查改進網格,重新生成網格，再次檢查前面出現(xiàn)差質量網格的區(qū)域。 看到改進的表面網格 如有必要繼續(xù)添加 Virtual Cells 在某些情況，自動添加可能會合并一些并不想合并的面?？蛇x擇Virtual Topology項下的Virtual Face 并右擊 delete來刪除個別虛擬單元. 右擊 Mesh 并選擇 Generate Mesh 生成最終固體網格,察看流體,下一步是創(chuàng)建流體區(qū)域的網格 在Outline中展開 Geometry Part section 右擊第一個固體并選擇 Hide Body來隱藏固體區(qū)域 右擊被抑制的 (第二個)固體并選擇 Unsupp

22、ress Body 對第二個選擇固體, 在 Details視窗展開 Graphical Properties section 并設置 Transparency 為1,添加膨脹,從Outline選擇Virtual Topology 流體區(qū)域的虛擬單元早已建立 檢查自動虛擬單元看是否合理 模型中應該沒有小面殘留 下一步是對流體壁添加膨脹 右擊 Mesh 并選擇 Insert Inflation 在Geometry欄需選擇對應流體區(qū)域的固體，然后點擊Apply 一旦已選擇了固體，在Boundary欄點擊 No Selection，出現(xiàn) Apply / Cancel 按鈕,創(chuàng)建流體網格,現(xiàn)在選擇模型的

23、非入口或出口的一個面 從工具欄選擇 Extend to Limitst : 選擇所有流體壁 點擊 Boundary欄的Apply 右擊Mesh 并選擇Generate Mesh生成最終網格,檢查網格質量,展開Statistics項并設置 Mesh Metric為Skewness. 注意最大偏斜在FLUENT求解器可接受范圍內. 如果生成了無虛擬拓撲的網格, 最大偏斜將相 當高。,無虛擬單元,流體區(qū)域網格,無虛擬拓撲,虛擬拓撲,FLUENT 和 CFX 網格質量度量,作業(yè)A.2,目標,這個作業(yè)將示范如何應用ANSYS 網格劃分程序對一內部流動場生成 in is CFD網格 幾何表示的是航空航天氣

24、閥部分, 已分解為 3 個體 目標是生成包含六面體，棱錐，棱柱和收縮控制四面體單元的共形混合CFD網格，并對 Fluent 和CFX求解器參數(shù)選擇檢查網格質量,創(chuàng)建網格劃分系統(tǒng),從開始菜單啟動ANSYS Workbench 點擊左邊工具箱的Component Systems 雙擊 Mesh 選項,右擊 (RMB) Geometry 按鈕并選擇 Import Geometry (一旦輸入了幾何文件，問號標記消失) 從指南文件夾輸入 Aero-Valve.agdb 文件 雙擊項目示圖區(qū)的 Mesh 按鈕 ，啟動網格劃分程序,輸入幾何,幾何,初始幾何是一個固體部件，流體區(qū)域在DesignModele

25、r (DM)中被分離出。DM中執(zhí)行的其他操作： 定義氣閥位置參數(shù) 關閉出口端 創(chuàng)建多體部件，并命名 “Fluid” ，材料為 “Fluid” 重命名個別體 ， Named Selection 用來定義 Inlet 和Outlet 尖角處倒圓角以改進網格質量,在網格劃分選項面板，選擇以下選項: Physics Preference CFD Mesh Method Automatic 完成選項后點擊OK 單位設為 mm,網格劃分選項,設置全局網格控制參數(shù): 點擊 Mesh 來改變設置 校正 Defaults Physics Preference CFD Solver Preference Flue

26、nt 或 CFX 最初使用Fluent is used initially, 但CFX設置的結果也會呈現(xiàn) 設置 Sizing 參數(shù) 設置Use Advanced Size Function On: Curvature 設置 Curvature Normal Angle 為15 設置Min Size為0.20 mm 保留其它默認設置,全局網格參數(shù),設置 Inflation參數(shù) 點擊 Use Automatic Tet Inflation 下拉列表并選擇 Program Controlled, 保留其它默認值 Maximum Layers設為 4 激活View Advanced Options 設

27、置 Pinch 控制 設置Pinch Tolerance = 0.15 mm 激活 Generate on Refresh Mesh Metrics設為 Skewness ( 對Fluent),膨脹和收縮參數(shù),注意: Program Controlled Inflation 將對所有沒指定Name Selection的邊界添加膨脹. 不對Fluid-Fluid界面添加膨脹,注意: Smooth Transition使在膨脹層和四面體網格間按定義的 Growth Rate過渡,注意: Layer Compression對Fluent是默認的Collision Avoidance選項 而Stair

28、 Stepping 對 CFX默認,注意: 當邊長度或頂點間距離小于收縮容差的時候，軟件將在劃分中忽略邊或去除額外的頂點,注意: Pinch Tolerance 應小于尺寸功能最小尺寸,建立收縮控制 : 在樹狀結構圖中點擊鼠標右鍵 (RMB (Tree) 選擇 Create Pinch Controls 創(chuàng)建10個收縮控制 (展開 Mesh 按鈕列出 pinch controls),收縮控制,查看收縮控制,查看收縮控制 Ctrl 鼠標左鍵 選擇 Pinch controls, 在視圖窗口會加亮顯示,對入口和出口體指定掃掠方法:,掃掠方法,選擇Mesh 按鈕 選擇體 (如下所示) Cursor

29、Mode設為Body Selection 左擊 (選擇)一可掃掠體 按住 Ctrl 鍵并選擇第二個體 插入方法 在圖形窗口點擊鼠標右鍵 (RMB (Window) Insert - Method 出現(xiàn) “Automatic Method” 表格 在Automatic Method 表格中 從下拉菜單選擇Sweep,設置掃掠方法控制 Src/Trg Selection; 選擇Manual Source 點擊 Source 選擇欄 將激活面拾取 按住 Ctrl 鍵并拾取入口和出口面 點擊Apply 額外設置 設置Free Face Mesh Type; All Quad 設置Sweep Num D

30、ivs; 20 設置Sweep Bias Type; _ _ _ _ _ 設置Sweep Bias; 4,掃掠方法設置,Inlet,Outlet,掃掠體上的2D-膨脹: 拾取面; Cursor Mode設為 Face Selection 選擇入口和出口面 (綠色的) RMB (窗口) Insert-Inflation 拾取邊 Cursor Mode 設為Edge selection 選擇環(huán)繞入口和出口面的4條邊 (紅色標記的) 點擊Apply 膨脹設置 設置 Maximum Thickness: 3.0 mm 保留所有其他選項,掃掠膨脹,模型的表面網格劃分: 右擊 Mesh 并選擇 Preview Surface Mesh 提供網格質量和密度的反饋 Advanced Size Function在掃掠體中創(chuàng)建非常細化的網格, 可通過在入口和出口上定義邊間隔來減小尺寸,初始表面網格,邊尺寸,掃掠體上邊網格: 插入 Ed