"選擇"是一件極為痛苦的事情。沒有選擇很痛苦,有很多候選項而不知道如何進行選擇似乎更為痛苦。流體計算前處理似乎就存在這一問題。

廣義上的流體計算前處理通常指的是從幾何模型的創(chuàng)建到計算模型的生成這一過程。但是我們更愿意接受將前處理定義為從幾何模型的導入到網(wǎng)格生成這一過程。因為相對于復雜的工程問題,其幾何模型往往非常復雜,計算工作者更愿意使用專業(yè)的幾何建模軟件來生成此類幾何。而網(wǎng)格劃分之后的計算參數(shù)設定,則涉及到眾多的行業(yè)理論背景,往往將其歸結(jié)到求解器設定里面。

如果將前處理僅僅限定在幾何模型的導入至計算網(wǎng)格的生成的話,那么此過程則可以完全與計算求解分離開,形成相對獨立的操作流程。也是基于這一點,市面上出現(xiàn)了相當多的各種類型的CFD前處理軟件。從這一點出發(fā),任何一款前處理軟件其實都可以適用于任何求解器。

再來談談固體有限元網(wǎng)格和流體網(wǎng)格的區(qū)別。從本質(zhì)上來說,它們是沒有區(qū)別的,都是記錄了各節(jié)點的坐標值以及節(jié)點間的連接關系。但是由于有限元計算算法與有限體積法(大多數(shù)流體求解器采用的算法)的差異,導致了網(wǎng)格劃分過程中需要注意的內(nèi)容不一樣,這也導致了一些網(wǎng)格生成軟件更偏重于固體計算或流體計算。

那么固體有限元網(wǎng)格和流體網(wǎng)格的差異在哪里呢?使用固體有限元計算的筒子可能會聽到諸于"一階單元""二階單元""高階單元"之類的概念,如下圖所示,左側(cè)為一階四面體單元,包含四個節(jié)點。右圖為二階四面體單元包含有10個節(jié)點。雖然說節(jié)點數(shù)量不一樣,但是僅僅只是反應在計算求解過程中,而在網(wǎng)格劃分過程中則沒有任何差異。對于流體計算網(wǎng)格則沒有階次的概念,可以認為所有的流體計算網(wǎng)格均為一階網(wǎng)格。

對于固體有限元和流體計算前處理還存在的區(qū)別在于:固體有限元計算,在前處理過程中需要指定單元屬性、材料類型等等參數(shù)。因此固體前處理過程比流體前處理過程要包含更多的操作。流體計算前處理僅僅只需要輸出網(wǎng)格節(jié)點坐標、節(jié)點間的連接關系等信息即可,比起固體計算前處理要簡單一些。這也是一些專職流體前處理軟件不適合做固體前處理的原因。

當然,流體計算也有其特別的地方,比如說流體計算存在固體計算中所不存在的邊界層問題,反映在前處理上則為邊界層網(wǎng)格的生成上。專職的流體前處理軟件可能會很方便的生成流體邊界層,而固體前處理軟件則需要花費更多的時間來處理這部分工作。

邊界層網(wǎng)格通常為棱柱層網(wǎng)格,主要是因為邊界層范圍內(nèi)需要網(wǎng)格存在較好的正交性,要求近壁面法向方向網(wǎng)格存在較好的正交性,而且由于邊界層往往都很薄,所以這類網(wǎng)格通常存在很大的長徑比(幾十、幾百甚至上千)。對于固體計算來說,大的長徑比網(wǎng)格往往是不被允許的,故在固體前處理軟件中對這類網(wǎng)格進行檢查是,很有可能會被標記為不合格網(wǎng)格。這也是利用固體前處理軟件生成流體網(wǎng)格時需要關注的內(nèi)容。

另外,在固體有限元計算中常常存在零維、一維、二維網(wǎng)格,比如說集中質(zhì)量、線網(wǎng)格和板殼網(wǎng)格等,這些網(wǎng)格在流體計算中均不存在。流體網(wǎng)格中對于無厚度的面,則僅僅只是對網(wǎng)格節(jié)點進行標記,而不會直接生成所謂的片體網(wǎng)格。除了2D計算所用的二維網(wǎng)格外,流體計算使用的是三維網(wǎng)格。更有一些求解器(如CFX等)還不支持2D網(wǎng)格計算。順便多說一句,就算是2D網(wǎng)格流體計算,求解器也是默認網(wǎng)格存在厚度的。

言歸正傳,目前流體通用計算前處理軟件很多,比如說目前支持ANSYS系列流體計算的ICEMCFD,專職做流體計算網(wǎng)格的PointWise與Gridgen,六面體網(wǎng)格生成軟件GridPro,Altair公司的前處理軟件Hypermesh,希臘ETACAE System S.A.公司的ANSA等,這些軟件可以說是目前網(wǎng)格生成領域比較流行的工具。當然這里不去討論一些軟件自帶的前處理軟件,比如說ANSYS、STAR CCM+、ESI CFD等軟件也都帶有自己的前處理軟件。

一般認為,HyperMesh與ANSA更偏重于固體有限元前處理,但是也能夠生成流體計算網(wǎng)格,它們的優(yōu)勢在于面網(wǎng)格的生成。ICEMCFD、PointWise與Gridpro更偏重于流體前處理,而Pointwise由于Gridpro只能生成流體網(wǎng)格。ICEM CFD既可以生成流體網(wǎng)格也可以生成固體網(wǎng)格,但更偏重于生成流體網(wǎng)格。這里簡單介紹一下:

Altair公司的Hypermesh是一款綜合的前處理軟件,其能夠生成有限元計算中所需的所有網(wǎng)格類型。對于流體計算來說,也能夠較為方便的生成邊界層網(wǎng)格。該軟件采用幾何剖分的方式可以生成全六面體網(wǎng)格。在Hypermesh中,若要利用軟件生成邊界層網(wǎng)格,則軟件會自動將內(nèi)部網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,或許用戶可以精細的調(diào)整邊上的bias以生成邊界層網(wǎng)格,但是個人認為還是比較麻煩的。當然也許有更加方便的方式我還沒有找到。不過如果用戶既做流體計算也做固體計算的話,強烈推薦使用這個。

這軟件是被ANSYS收購的。起先此軟件被收購后主要用于CFX的前處理。后來ANSYS公司收購了FLUENT,發(fā)現(xiàn)GAMBIT雖然功能比較強大,但是界面不怎么美觀,畢竟是基于UNIX環(huán)境而開發(fā)的軟件,將其用到Windows下自然不是那么的順暢,需要安裝Exceed,而且還經(jīng)常卡頓卡頓的。在這種情況下,ANSYS就把ICEMCFD推到了前臺,該軟件也成了ANSYS CFD系列的御用前處理器。而GAMBIT的命運就比較悲催了,可能會在其功能被Mesh模塊完全吸收后消失在人們的視線中。ICEM CFD的功能強大,可以說是CFD前處理領域頂級軟件。其支持獨特的虛擬Block拓撲構(gòu)建六面體網(wǎng)格方式,也支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動成,構(gòu)建邊界層網(wǎng)格也極其方便。當然現(xiàn)在也有關于ICEMCFD生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方面的一些說法,比如說沒有size function,這讓習慣了GAMBIT的童鞋很難受。還有就是ICEM CFD生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量超多的問題。當然這些都不是什么大問題,可以通過軟件的操作技能的提高得到彌補。除了流體外,ICEM CFD其實還支持固體有限元網(wǎng)格的生成。對于主要從事CFD計算的人們來講,ICEM CFD可以當做首選的前處理軟件。其支持絕大多數(shù)流體計算求解器,更重要的是其能夠無縫的支持FLUENT,而FLUENT網(wǎng)格實際上已經(jīng)相當于流體網(wǎng)格的標準了,絕大多數(shù)流體求解器其實也支持輸入FLUENT 的msh網(wǎng)格格式。

來自于軟件gridgen,據(jù)官網(wǎng)介紹,此軟件來自于通用公司研究F-16戰(zhàn)斗機時所開發(fā)。該軟件能夠提供對網(wǎng)格的全面控制,因此適合于CFD高級用戶。當然如果是對于CFD新手的話,操作此軟件可能會覺得稍顯麻煩。該軟件同時提供了結(jié)構(gòu)昂個與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成,能生成極高質(zhì)量的網(wǎng)格。但是此軟件無法生成固體計算網(wǎng)格。因此如果是專業(yè)的CFD用戶,可選擇此軟件作為前處理器。由于Gridgen與此軟件同出一轍,就不分開討論了。

這軟件據(jù)說來頭也聽說,說是專為NASA開發(fā)的CFD前處理器。不過不管其來頭有多大,該軟件無法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是一大硬傷。對于異常復雜的工業(yè)CFD模型,如果要完全生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,無疑需要耗費大量的精力,甚至很多時候都是難以做到的。不過話說回來,該軟件生成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的確是漂亮得讓人心醉,對于簡單易生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的幾何模型,選擇此軟件也是不錯的選擇。不過工作中如果常常與復雜幾何打交道的話,可以說此軟件不太適合。此軟件雖然在6.0版本之后對GUI進行了重要改進,不過幾何的輸入接口仍然還有極大的提升空間。