[系列]CFD软件技能的提高：从前处理软件选择开始

"选择"是一件极为痛苦的事情。没有选择很痛苦,有很多候选项而不知道如何进行选择似乎更为痛苦。流体计算前处理似乎就存在这一问题。广义上的流体计算前处理通常指的是从几何模型的创建到计算模型的生成这一过程。但是我们更愿意接受将前处理定义为从几何模型的导入到网格生成这一过程。因为相对于复杂的工程问题,其几何模型往往非常复杂,计算工作者更愿意使用专业的几何建模软件来生成此类几何。而网格划分之后的计算参数设定,则涉及到众多的行业理论背景,往往将其归结到求解器设定里面。如果将前处理仅仅限定在几何模型的导入至计算网格的生成的话,那么此过程则可以完全与计算求解分离开,形成相对独立的操作流程。也是基于这一点,市面上出现了相当多的各种类型的CFD前处理软件。从这一点出发,任何一款前处理软件其实都可以适用于任何求解器。

再来谈谈固体有限元网格和流体网格的区别。从本质上来说,它们是没有区别的,都是记录了各节点的坐标值以及节点间的连接关系。但是由于有限元计算算法与有限体积法(大多数流体求解器采用的算法)的差异,导致了网格划分过程中需要注意的内容不一样,这也导致了一些网格生成软件更偏重于固体计算或流体计算。那么它们的差异在哪里呢?使用固体有限元计算的筒子可能会听到诸于"一阶单元""二阶单元""高阶单元"之类的概念,如下图所示,左侧为一阶四面体单元,包含四个节点。右图为二阶四面体单元包含有10个节点。虽然说节点数量不一样,但是仅仅只是反应在计算求解过程中,而在网格划分过程中则没有任何差异。对于流体计算网格则没有阶次的概念,可以认为所有的流体计算网格均为一阶网格。

对于固体有限元和流体计算前处理还存在的区别在于:固体有限元计算,在前处理过程中需要指定单元属性、材料类型等等参数。因此固体前处理过程比流体前处理过程要包含更多的操作。流体计算前处理仅仅只需要输出网格节点坐标、节点间的连接关系等信息即可,比起固体计算前处理要简单一些。这也是一些专职流体前处理软件不适合做固体前处理的原因。当然,流体计算也有其特别的地方,比如说流体计算存在固体计算中所不存在的边界层问题,反映在前处理上则为边界层网格的生成上。专职的流体前处理软件可能会很方便的生成流体边界层,而固体前处理软件则需要花费更多的时间来处理这部分工作。

边界层网格通常为棱柱层网格,主要是因为边界层范围内需要网格存在较好的正交性,要求近壁面法向方向网格存在较好的正交性,而且由于边界层往往都很薄,所以这类网格通常存在很大的长径比(几十、几百甚至上千)。对于固体计算来说,大的长径比网格往往是不被允许的,故在固体前处理软件中对这类网格进行检查是,很有可能会被标记为不合格网格。这也是利用固体前处理软件生成流体网格时需要关注的内容。

另外,在固体有限元计算中常常存在零维、一维、二维网格,比如说集中质量、线网格和板壳网格等,这些网格在流体计算中均不存在。流体网格中对于无厚度的面,则仅仅只是对网格节点进行标记,而不会直接生成所谓的片体网格。除了2D计算所用的二维网格外,流体计算使用的是三维网格。更有一些求解器(如CFX等)还不支持2D网格计算。顺便多说一句,就算是2D网格流体计算,求解器也是默认网格存在厚度的。

言归正传,目前流体通用计算前处理软件很多,比如说目前支持ANSYS系列流体计算的ICEM CFD,专职做流体计算网格的PointWise与Gridgen,六面体网格生成软件GridPro,Altair公司的前处理软件Hypermesh,希腊ETA CAE System S.A.公司的ANSA等,这些软件可以说是目前网格生成领域比较流行的工具。当然这里不去讨论一些软件自带的前处理软件,比如说ANSYS、STAR CCM+、ESI CFD等软件也都带有自己的前处理软件。

一般认为,HyperMesh与ANSA更偏重于固体有限元前处理,但是也能够生成流体计算网格,它们的优势在于面网格的生成。ICEM CFD、PointWise与Gridpro更偏重于流体前处理,而Pointwise由于Gridpro只能生成流体网格。ICEM CFD既可以生成流体网格也可以生成固体网格,但更偏重于生成流体网格。这里简单介绍一下:

HyperMesh:Altair公司的Hypermesh是一款综合的前处理软件,其能够生成有限元计算中所需的所有网格类型。对于流体计算来说,也能够较为方便的生成边界层网格。该软件采用几何剖分的方式可以生成全六面体网格。在Hypermesh中,若要利用软件生成边界层网格,则软件会自动将内部网格转化成四面体非结构网格,或许用户可以精细的调整边上的bias以生成边界层网格,但是个人认为还是比较麻烦的。当然也许有更加方便的方式我还没有找到。不过如果用户既做流体计算也做固体计算的话,强烈推荐使用这个。

ANSA:此软件是Hypermesh的直接对手,在汽车领域应用甚广。所有特性与HM类似。但是在生成六面体网格方面,除了提供类似HM的几何剖分方式还,似乎还有基于虚拟block拓扑的方式,个人认为还是比较好用的。此软件我接触得少,不予评价。

ICEM CFD:这软件是被ANSYS收购的。起先此软件被收购后主要用于CFX的前处理。后来ANSYS公司收购了FLUENT,发现GAMBIT虽然功能比较强大,但是界面不怎么美观,毕竟是基于UNIX环境而开发的软件,将其用到Windows下自然不是那么的顺畅,需要安装Exceed,而且还经常卡顿卡顿的。在这种情况下,ANSYS就把ICEM CFD推到了前台,该软件也成了ANSYS CFD系列的御用前处理器。而GAMBIT的命运就比较悲催了,可能会在其功能被Mesh模块完全吸收后消失在人们的视线中。ICEM CFD的功能强大,可以说是CFD前处理领域顶级软件。其支持独特的虚拟Block拓扑构建六面体网格方式,也支持非结构网格的自动生成,构建边界层网格也极其方便。当然现在也有关于ICEM CFD生成非结构网格方面的一些说法,比如说没有size function,这让习惯了GAMBIT的童鞋很难受。还有就是ICEM CFD生成非结构网格数量超多的问题。当然这些都不是什么大问题,可以通过软件的操作技能的提高得到弥补。除了流体外,ICEM CFD其实还支持固体有限元网格的生成。对于主要从事CFD计算的人们来讲,ICEM CFD可以当做首选的前处理软件。其支持绝大多数流体计算求解器,更重要的是其能够无缝的支持FLUENT,而FLUENT网格实际上已经相当于流体网格的标准了,绝大多数流体求解器其实也支持输入FLUENT 的msh网格格式。

Pointwise:来自于软件gridgen,据官网介绍,此软件来自于通用公司研究F-16战斗机时所开发。该软件能够提供对网格的全面控制,因此适合于CFD高级用户。当然如果是对于CFD新手的话,操作此软件可能会觉得稍显麻烦。该软件同时提供了结构昂个与非结构网格生成,能生成极高质量的网格。但是此软件无法生成固体计算网格。因此如果是专业的CFD用户,可选择此软件作为前处理器。由于Gridgen与此软件同出一辙,就不分开讨论了。

GridPro:这软件据说来头也听说,说是专为NASA开发的CFD前处理器。不过不管其来头有多大,该软件无法生成非结构网格是一大硬伤。对于异常复杂的工业CFD模型,如果要完全生成结构网格,无疑需要耗费大量的精力,甚至很多时候都是难以做到的。不过话说回来,该软件生成的结构网格的确是漂亮得让人心醉,对于简单易生成结构网格的几何模型,选择此软件也是不错的选择。不过工作中如果常常与复杂几何打交道的话,可以说此软件不太适合。此软件虽然在6.0版本之后对GUI进行了重要改进,不过几何的输入接口仍然还有极大的提升空间。