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Fluent Meshing 高效准确读入CAD模型343攻略
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仿真圈
1年前
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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。
图1 从CAD模型到CFD模型的转换
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
图3 不同精度的CAD表面离散方法
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,这种方法 会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。
图6 使用 SCDM软件输出*.tgf网格文件
三、准确高效的读入CAD模型的几种策略
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”。
图7 CAD Faceting直接读入的模型
图8 在上图基础上直接Remesh加密的网格
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
对于该方法,通常需要3个步骤才能顺利完成。
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。
图9 导入CAD的同时保存*.pmdb文件
Step 2 定义尺寸分布并保存*.sf文件
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)。
图10 设定并保存*.sf尺寸分布文件
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12 重新读入 CAD模型
图13 按照“策略四”导入的几何能够有效保证曲面精度
综上所述,建议大家按照以下方法选择策略:
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。
好了,今天就写这么多了,如果不当欢迎批评指正。
四、如何高效
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首次发布时间:2023-08-21
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