ANSYS Fluent網格劃分技術
2020-02-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
計算流體動力學 (CFD) 求解器使用高度正交網格,更加高效,但是幾何形狀的復雜性正在逐步增加,在不規則幾何形狀上實現正交性可能很困難。每種元素類型都有其優點和缺點,CFD 網格劃分技術在過去四十年中不斷發展,使用最適合特定應用空間的不同類型元素。工程師希望為幾何形狀和體積的每個區域匹配最佳網格元素,但在這些區域之間建立過渡還是有一定的困難。因此,他們可以讓元素類型數量少于最佳數量,以便將時間和精力減少到可接受的限度。
在 CFD 開發早期,幾何形狀相對簡單,六面體或四邊形元素是主要的元素選擇。從計算時間的角度來看,六面體網格非常有效,并且也非常準確。六面體網格的問題在于它們不適合復雜的幾何形狀,特別是在表征邊界流動時。
四面體/楔形元素隨著幾何形狀變得更加復雜,CFD 社區轉向自動非結構化網格,其邊界層由分層棱柱元素捕捉,大塊幾何形狀使用四面體元素填充。直到大約十年前,四面體網格都是業內最常見的 CFD 方法。盡管四面體網絡自動生成十分簡單,但是精確度一直存在問題。求解器的改進部分解決了精確度的問題。但是,若要通過四面體元素在邊界層和小間隙中實現精確度和良好覆蓋,就需要大量的單元格,這會增加計算時間要求。
即使在四面體元素是最常見的網格劃分解決方案的時候,分析師依然需要六面體元素的精確度和效率,前提是可以在不回歸為手動網格劃分的情況下生成這些元素。為了滿足這一需求,Hexcore 網格劃分方法于 2005 年左右出現了一些進展。Hexcore 通過八叉樹六面體網格填充大塊流體幾何形狀,同時在邊界處保持分層棱柱元素,用四面體元素填充過渡空間。通過從全尺寸六面體元素轉換為八個元素(稱為八叉樹 1:8 尺寸減少),改進六面體元素處理復雜幾何形狀的能力,以適應元素尺寸的變化。較小的六面體元素的內部節點不與較大元素中的節點對齊,因此它們被稱為懸掛節點。這些網格很快被用于多種應用程序,包括賽車的外部空氣動力學設計。Hexcore 網格劃分的問題在于四面體元素的數量較多,邊界附近分層元素和大塊區域中的八叉樹六面體元素之間的小型過渡區域中的元素質量較低,無法達到要求。這延長了計算時間,對 RAM 和存儲空間的消耗也較大。
2010 年前后,廣義多面體元素開始在許多 CFD 應用中獲得關注。多面體元素的最初發展原因是,其要求有一部分單元格作為四面體元素,因此總體來看消耗的內存和計算時間都會減少。多面體元素也具有許多鄰域,因此梯度近似優于四面體元素,盡管梯度算法的使用似乎削減了這種優勢。更多鄰域意味著有更多表面,每個單元格也就需要更多計算操作。多面體元素也提供與四面體元素相同的自動網格劃分功能。最初,多面體元素為 CFD 創建了外觀出色但并非理想的元素。ANSYS 開發出了一種原生多面體網格,可生成具有平坦零扭曲內表面的高質量元素。單元格是正交的——相鄰單元格中心向量與共面法線對齊。這些網格在邊界上具有分層的多面體棱柱,可以有效地捕獲非滑動壁上的邊界層。
Mosaic 網格劃分技術通過多面體元素,共形地連接大塊區域中的六面體元素和邊界層中的各向同性元素
ANSYS Fluent 開發人員研究了 CFD 網格劃分的總體情況,注意到六面體元素因其精確度和效率而受到廣泛歡迎,同時多面體元素的優勢是非常適合復雜幾何形狀,提供比四面體元素更高的效率。他們思考能否通過結合兩種類型的元素,同時維持自動網格生成,滿足用戶的需要。最終,ANSYS 開發出 Mosaic 技術(正在申請專利),可一致地將任何類型的網格連接到其他類型網格,從而創建最優網格,在網格的每個部分使用最佳類型元素。Mosaic 技術允許原生多面體網格與以下元素類型連接:?表面:三角形、四邊形、多邊形。?體積:六面體、四面體、錐體、棱柱。從 ANSYS 19.2 開始,Fluent 將提供一種完全自動化的方式,以更快的速度獲得更高質量的結果,與目前可用的任何其他網格劃分技術相比,具有最好的網格質量和內存組合。Poly-Hexcore 是首款 Mosaic 技術應用程序,可通過八叉樹六面體填充大塊區域,在邊界層中保留高質量的分層多棱柱網格,并將這兩種網格與一般多面體元素一致連接。平均來看,與廣義多面體元素相比,六面體單元的面更少,這減少了計算時間、內存及磁盤空間要求。在 Mosaic 技術中用作連接體的多面體元素在不同類型的網格之間提供高質量的過渡,因此其保留了以前多面體生成的高品質特點。
即使在渦輪葉片的亞毫米通孔中,Mosaic 技術也能生成高質量網格
與 Hexcore 或相同精確度的廣義多面體網格相比,使用基于 Mosaic 技術由 Poly-Hexcore 創造的網格進行的 CFD仿真在 Fluent 中的速度加快了 20% 到 50%。這種新方法可在笛卡爾坐標軸對齊的八叉樹六面體上部署特殊的數字計算方法,從而使得進一步提高求解器速度和精確度成為可能。此外,與使用廣義多面體元素填充整個體積相比,這種方法的網格生成速度更快。最后,Mosaic 技術保持了全自動網格劃分的速度和便利性。
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