流体仿真中外流场抽取的三种方法

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：在CFD仿真工作中，有两个主要的问题分类，一是内流场仿真，另外一个则是外流场计算。对于内流场仿真，通常需要考虑管道、容器或者有限空间（如机箱、机柜等）内的流体区域，因此，这一类问题的主要特点是计算区域相对较小，边界的选择通常为垂直于管路轴线的平面。

图1内流场抽取

相比之下，外流场区域的选择就和内流场有较大的差异。通常情况下，外流场的边界要远离物体表面，从而消除边界条件和内部壁面之间的相互影响。因此，外流场计算区域的总体积通常会很大；而且，外轮廓边界的形状可以任意指定。

图2 外流场网格

ANSYS SCDM作为全新一代直接建模工具，已经越来越多的成为流体仿真工程师修复和简化CAD模型的首选。该软件具备有多种针对CAE技术的便捷功能，可以让我们快速完成各项仿真的准备工作，如：抽取内/外流场，简化梁/壳单元，抽取中面等。

图3 SCDM中常见的CAE前处理技术

对于外流场获取，SCDM工具也具备有多种方法来完成该项工作，根据经验，常用的方法有以下三种：

①借助外壳工具进行快速外流场抽取

外壳工具是SCDM软件在Fluent建模过程中最为常用的功能，对于通用的外流场仿真，外壳技术可以快速的生成外流场，操作便捷，功能丰富，同时，还可以随着内部固体区域的改变而进行更新。

图4 外壳工具

通过外壳工具生成的外流场区域本质仍旧是实体，在结构树中显示为绿色的立方体，和所有的其他实体一样，我们可以对外壳中的实体进行拉动、移动、填充等操作。其中拉动工具通常用于调整外壳的边界范围。

常见的外壳形状有：立方体、球、和圆柱。

图5 常见的外流场形状

②使用组合工具进行布尔运算

外流场获取本质仍旧是体之间的布尔运算，将整个区域和固体区域进行布尔相减的操作，就可以获取外流场的实体。不过，相比于外壳技术，布尔运算方法需要的操作步骤更多，通常需要先通过额外的草图平面构建基础形状，再拉动获取整个区域的CAD模型，最后才能完成布尔运算。

图6 通过布尔运算抽取外流场

当然，对于自定义形状的外流场边界形状，通常建议使用布尔运算的方法，因为其工作效率要高于外壳工具。

同时，SCDM中的干涉工具也可以算作是一种布尔运算，该方法可以在整个区域CAD模型构建完成之后进行工作，从而快速达成目标，可以完成和布尔运算相同的效果。

图7 干涉工具

③进阶的压印—拼接技术，更适合曲面模型的外流场处理

从三维模型角度去考虑外流场的抽取，显然更符合大多数用户的思维方式。然而，对于进阶的Fluent工程师来讲，所有的实体都可以认为是不存在的，流体（以及固体）区域的本质是通过水密（或者称为封闭）的面边界配合材料点来定义的。因此，通过压印—拼接技术直接对面主体进行操作，更符合CFD共节点网格划分的思维逻辑，但也需要更准确的空间想象力和分辨力。

举一个例子，如下图所示的飞行器半模型，CAD只包含了飞机wall边界的面主体，并不是一个实体。因此，在进行外流场获取时，可以直接绘制半球形面边界与之匹配，随后通过压印的方式获取交叉的特征线。在删除掉多余的内部对称面后，即可通过拼接获取外流场实体。