Fluent Meshing 高效准确读入CAD模型343攻略

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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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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）。