ANSYS Fluent网格划分技术

2020-02-07 by:CAE仿真在线来源:互联网

计算流体动力学 (CFD) 求解器使用高度正交网格,更加高效,但是几何形状的复杂性正在逐步增加,在不规则几何形状上实现正交性可能很困难。每种元素类型都有其优点和缺点,CFD 网格划分技术在过去四十年中不断发展,使用最适合特定应用空间的不同类型元素。工程师希望为几何形状和体积的每个区域匹配最佳网格元素,但在这些区域之间建立过渡还是有一定的困难。因此,他们可以让元素类型数量少于最佳数量,以便将时间和精力减少到可接受的限度。

六面体元素

在 CFD 开发早期,几何形状相对简单,六面体或四边形元素是主要的元素选择。从计算时间的角度来看,六面体网格非常有效,并且也非常准确。六面体网格的问题在于它们不适合复杂的几何形状,特别是在表征边界流动时。

四面体/楔形元素随着几何形状变得更加复杂,CFD 社区转向自动非结构化网格,其边界层由分层棱柱元素捕捉,大块几何形状使用四面体元素填充。直到大约十年前,四面体网格都是业内最常见的 CFD 方法。尽管四面体网络自动生成十分简单,但是精确度一直存在问题。求解器的改进部分解决了精确度的问题。但是,若要通过四面体元素在边界层和小间隙中实现精确度和良好覆盖,就需要大量的单元格,这会增加计算时间要求。

Hexcore 网格

即使在四面体元素是最常见的网格划分解决方案的时候,分析师依然需要六面体元素的精确度和效率,前提是可以在不回归为手动网格划分的情况下生成这些元素。为了满足这一需求,Hexcore 网格划分方法于 2005 年左右出现了一些进展。Hexcore 通过八叉树六面体网格填充大块流体几何形状,同时在边界处保持分层棱柱元素,用四面体元素填充过渡空间。通过从全尺寸六面体元素转换为八个元素(称为八叉树 1:8 尺寸减少),改进六面体元素处理复杂几何形状的能力,以适应元素尺寸的变化。较小的六面体元素的内部节点不与较大元素中的节点对齐,因此它们被称为悬挂节点。这些网格很快被用于多种应用程序,包括赛车的外部空气动力学设计。Hexcore 网格划分的问题在于四面体元素的数量较多,边界附近分层元素和大块区域中的八叉树六面体元素之间的小型过渡区域中的元素质量较低,无法达到要求。这延长了计算时间,对 RAM 和存储空间的消耗也较大。

ploy-多面体网格

2010 年前后,广义多面体元素开始在许多 CFD 应用中获得关注。多面体元素的最初发展原因是,其要求有一部分单元格作为四面体元素,因此总体来看消耗的内存和计算时间都会减少。多面体元素也具有许多邻域,因此梯度近似优于四面体元素,尽管梯度算法的使用似乎削减了这种优势。更多邻域意味着有更多表面,每个单元格也就需要更多计算操作。多面体元素也提供与四面体元素相同的自动网格划分功能。最初,多面体元素为 CFD 创建了外观出色但并非理想的元素。ANSYS 开发出了一种原生多面体网格,可生成具有平坦零扭曲内表面的高质量元素。单元格是正交的——相邻单元格中心向量与共面法线对齐。这些网格在边界上具有分层的多面体棱柱,可以有效地捕获非滑动壁上的边界层。

Mosaic 技术

Mosaic 网格划分技术通过多面体元素,共形地连接大块区域中的六面体元素和边界层中的各向同性元素

ANSYS Fluent 开发人员研究了 CFD 网格划分的总体情况,注意到六面体元素因其精确度和效率而受到广泛欢迎,同时多面体元素的优势是非常适合复杂几何形状,提供比四面体元素更高的效率。他们思考能否通过结合两种类型的元素,同时维持自动网格生成,满足用户的需要。最终,ANSYS 开发出 Mosaic 技术(正在申请专利),可一致地将任何类型的网格连接到其他类型网格,从而创建最优网格,在网格的每个部分使用最佳类型元素。Mosaic 技术允许原生多面体网格与以下元素类型连接:•表面:三角形、四边形、多边形。•体积:六面体、四面体、锥体、棱柱。从 ANSYS 19.2 开始,Fluent 将提供一种完全自动化的方式,以更快的速度获得更高质量的结果,与目前可用的任何其他网格划分技术相比,具有最好的网格质量和内存组合。Poly-Hexcore 是首款 Mosaic 技术应用程序,可通过八叉树六面体填充大块区域,在边界层中保留高质量的分层多棱柱网格,并将这两种网格与一般多面体元素一致连接。平均来看,与广义多面体元素相比,六面体单元的面更少,这减少了计算时间、内存及磁盘空间要求。在 Mosaic 技术中用作连接体的多面体元素在不同类型的网格之间提供高质量的过渡,因此其保留了以前多面体生成的高品质特点。

即使在涡轮叶片的亚毫米通孔中,Mosaic 技术也能生成高质量网格

与 Hexcore 或相同精确度的广义多面体网格相比,使用基于 Mosaic 技术由 Poly-Hexcore 创造的网格进行的 CFD仿真在 Fluent 中的速度加快了 20% 到 50%。这种新方法可在笛卡尔坐标轴对齐的八叉树六面体上部署特殊的数字计算方法,从而使得进一步提高求解器速度和精确度成为可能。此外,与使用广义多面体元素填充整个体积相比,这种方法的网格生成速度更快。最后,Mosaic 技术保持了全自动网格划分的速度和便利性。

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