Fluent Meshing 高效准确读入CAD模型343攻略
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对于我们流体工程师来讲,“仿真驱动设计”是常常被挂在嘴边的一句话。CFD的主要工作,也是将我们所熟识的物理现象,应用到特定的场景(产品)之中。那么,对于这些不一样的产品,对应的CAD模型就是一个最为主要的特征。是否能够准确合理的在流体仿真中描述这个CAD模型,就成为了最重要的一件事。
当然,由于仿真效率与规模的限制,过于详细的CAD描述则可能会影响仿真的进程,因此,我们必须要寻找一种既高效又准确的方法来读入CAD模型,从而帮助我们的仿真流程得以顺利完成。
Fluent Meshing作为一款高级的流体前处理工具,具备有多种CAD导入的方法,涵盖从快捷高效到精细准确的多个环节。而且随着近几年版本的更新,功能也逐步完善,用以应对不同CAD模型、不同仿真精度的多个需求。一、Fluent Meshing支持哪些CAD几何格式?从ANSYS 16.0开始,Fluent Meshing读入几何的接口就与SCDM完全一致了,换句话说,几乎所有主流的CAD格式,目前都可以直接读入到Fluent Meshing中来。当然,在实际的流体仿真中,我们仍旧推荐导入ANSYS所支持的几何格式,比如*.scdoc,*.agdb,*.pmdb等,因为这一类的几何格式不仅可以确保CAD的数据无错的传递,而且还可以保留共享拓扑及命名等信息。图2 Fluent Meshing支持的输入和输出文件格式二、Fluent Meshing读入几何的三种常用方法![](https://public.fangzhenxiu.com/fixComment/commentContent/imgs/1658908680676_whf8cn.jpg?imageView2/0)
1、通过 CAD Faceting方式读入几何文件这种方法是Fluent Meshing的默认CAD导入方式,也是使用Workbench打开Fluent Meshing并进行几何输入的唯一方法。通过该方法导入的几何会出现在Geometry Object结构树中,并以类似于*.stl格式的刻面文件方式存在。该方法主要的优点是读入几何的速度快,生成网格的数量少,占用内存小,整个计算机和软件对模型的响应也更为迅速,因此在工作效率上是比较高的。当然,该方法也有较大的缺陷:一是通过该方法离散得到的CAD表面网格不能直接作为流体仿真的表面网格,因为网格质量太差;二是该方法离散的精度不高,无法有效捕捉几何的一些重要特征(如曲面等);三是该方法不支持自定义的加密,无法人为的对离散后的网格尺寸分布进行干预。所以可以认为CAD Faceting的方法效率虽高,但精度无法保证。图4 使用 CAD Faceting 方法导入几何模型2、通过 CFD surface Mesh方法读入几何文件该方法可以认为是在读入几何的同时进行了一次Remesh的操作,因此导进来的CAD文件直接存在于Mesh Object结构树下。同时,绝大多数的网格质量较好,可以作为流体仿真的表面网格,来进行下一步的操作。使用该方法之前需要对尺寸函数进行定义,包括最大值、最小值、曲率和狭缝的加密等等;当然,也可以直接输入已有的尺寸分布文件(需要预先生成)。该方法的优势是导入后生成的面网格几何精度高、质量好。缺点是工作效率较低、生成速度较慢,尤其是当几何存在问题时,这种方**极大的延长操作的时间。图5 使用 CFD surface Mesh 方法导入几何模型
3、通过readàmeshà *.tgf格式的网格文件导入几何对于早期接触Fluent和Tgrid软件的流体工程师而言,*.tgf是一个常见的网格文件格式,他与传统的*.stl格式文件类似,都是通过离散化CAD表面几何而形成的。而且,无论是早期的Tgrid还是现在的Fluent Meshing,在导入几何后仍旧会在默认的缓存目录下生成一个*.tgf格式的网格文件,用以恢复崩溃所带来的影响。对于*.tgf的生成方式,在SCDM 18.0之后的版本中可以直接保存。使用SCDM输出*.tgf网格文件的效率,要比使用Fluent Meshing读入*.scdoc几何文件(CAD Faceting方法)快30%~70%,而且还不会受到版本的限制(比如低版本的Fluent Meshing是无法直接导入高版本的*.scdoc文件的)。同时,该方法在输出表面的时候,还可以调节精度。因此,对于某些单个流体区域的问题(多区域可能会有问题),还是建议使用*.tgf文件进行过渡的;输出文件之后,直接在FM中使用readàmesh就可以找到了。了解了FM读入几何的几种方法之后,我们究竟该如何选择呢?接下来就来讨论一下不同的处理策略。策略一:先通过 CAD Faceting方式读入几何,再通过Remesh方法改进
CAD Faceting方法工作效率高,离散速度快,可以高效的将几何文件读入到Fluent Meshing的算例中来。但是如上文所述,该方法的曲面精度可能不尽如人意。针对这个问题,可能有些CFD工程师会有疑惑,“Fluent Meshing不是具备有网格重构(Remesh)技术嘛,这个时候只要把粗糙的表面网格加密,就应该可以解决精度不足的问题了。”对于这样的情况,网格重构(Remesh)技术确实可以处理一部分问题,比如互相垂直的特征,或者交线两侧的角度比较大,都可以通过加密的方式来提高离散的精度;但是对于曲率较大的弧面,单纯的后续加密是无法提高精度的。如下图所示,如果按照相对高效的方法(CAD Faceting)读入了初始的 CAD 文件,那么在球面部分的网格会比较大,可以认为此时的球面被离散成了一个多面体。这个时候再进行尺寸分布的定义并随后对网格重新划分,如图所示,则可以看到:虽然网格数量有所增加,但离散后的多面体仍旧存在,加密的点并未投影在之前 CAD的球面上,相反则是多出一个加密了的 “多面体”。因此可以认为,这种方式对于曲面的精度提升是失败的,而且新增的网格和节点会耗费大量的计算资源,可以认为是“好钢没有用在刀刃上”。策略二:直接通过CFD Surface Mesh的方法导入CAD几何如果在首次导入几何的时候就按照高精度的 CFD Surface Mesh方法,对曲率和狭缝的位置进行加密,那么确实可以有效解决弧面处网格精度不高的问题。当然,这种方法也是包含有一定风险的,比如:几何细节未知导致尺寸参数不好确定,全局统一参数设定无法体现局部差异,几何尺寸过小导致网格数量巨大、等待时间过长等。策略三:先通过SCDM软件输出*.tgf格式的网格文件,再通过Remesh方法改进对于策略一中的CAD Faceting方法,可能存在精度不高又无法有效调整的情况。如上文所述,与其类似的*.tgf网格格式则可以在导出时定义相应的精度,从而提高曲面特征的准确性。随后,依照该面网格进行的Remesh网格重构,就可以顺利的实现CAD表面向CFD面网格的转变。当然,对于这一类方法也是存在一定的不足,比如过于精细的*.tgf网格文件会占用较大的硬盘空间,读取起来所需时间也相对较长;同时,多实体间的共享拓扑可能会在*.tgf格式的网格中失效。策略四:先通过 CAD Faceting方式读入几何,随后保存*.pmdb和*.sf文件,最后使用CFD Surface Mesh的方法重新读入该几何Step 1 通过CAD Faceting的方式导入几何,并保存*.pmdb文件这个选项中的*.pmdb格式是ANSYS所支持的几何文件,和*.scdoc,*.agdb等格式类似,都是可以将CAD几何无错的传递到ANSYS的网格划分软件中来。当然,*.pmdb也有自己的特点,那就是读取的速度更快,同样通过Import的方式导入几何文件,*.pmdb和*.scdoc相比通常都会有数倍甚至数十倍的差别。读入之后,我们就可以根据这个粗糙的三角面片文件进行一些参数的设定,比如:细节特征的测量,狭缝与曲率的捕捉,强制尺寸设置,影响体尺寸设置等。有了这些表面网格尺寸分布并计算确认之后,接下来则不需要进行网格的重新划分(Remesh)或是包裹(Wrap),而是储存当前的尺寸分布情况Size Field(*.sf文件)。需要注意的是,尺寸分布的情况是空间坐标的函数,与几何的形状并无直接的关系,原则上同一个尺寸分布的文件甚至可以使用在完全不同的CAD模型上(当然对应的效果可能会比较差)。图11 Fluent Meshing可以直接显示尺寸分布的云图Step 3 按照CFD Surface Mesh的方法重新读入*.pmdb文件,并包含*.sf的尺寸分布保存完毕后,我们重新读入CAD模型,并按照高精度的 CFD Surface Mesh方法来处理。这个时候,之前保存的尺寸分布(*.sf)文件就排上用场了,我们无需再给定曲率与狭缝的加密方法,也无需担心几何会被过度的细化,只需要按照已有的分布进行几何表面的离散化即可。当然,重新读入的几何建议采用*.pmdb格式,这个是在初次导入几何时保存的文件,就如同前面说的,*.pmdb格式的文件可以极大的提升CAD导入的效率,同时还能保证几何的曲面形状,从而达到提高工作效率与离散精度的“双赢”效果。图13 按照“策略四”导入的几何能够有效保证曲面精度对于只包含一个实体几何的流体计算区域,使用策略三和策略四都可以,因为这两者都兼顾了效率与准确性的要求;对于多区域的实体(比如共轭换热问题、多参考坐标系问题、多孔介质问题等),建议使用策略四来做,因为*.tgf文件中的共享拓扑效果可能会失败,从而导致大量的重叠与交叉需要后续处理。
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