HyperMesh和自定義導出模板簡化CFD分析

2016-10-18 by:CAE仿真在線來源:互聯網

項目介紹

亞利桑那州立大學(ASU)的物質運輸和能源工程學院(SEMTE),希望通過使用商業化的通用前處理軟件HyperMesh,來完成復雜幾何外形的網格劃分,以便在譜元法計算流體程序Nek5000中使用。由于CFD計算程序需要使用3D六面體單元,在使用Nek5000程序時就會遇到劃六面體網格的挑戰。

SEMTE的科研人員創建了一項研究項目,來開發HyperMesh網格和Nek5000代碼間轉化的工具。這個轉化工具可以將HyperMesh網格轉化為Nek5000程序可識別的格式。在使用這個導出模板后,整個流程具有了更好的用戶體驗并且更加不容易出錯。首先在HyperMesh中生成網格,然后在導出模板中整理好所有的數據并將其分類,以便網格能夠以Nek5000的正確格式導入到用戶模塊中。

挑戰

綜合模擬計算流體實驗研究團隊重點開發并利用了許多工具應用于并行計算機,研究分析復雜的工程問題和物理系統。他們用開源的計算流體求解器Nek5000來進行他們的研究。Nek5000是基于譜元法的一個求解器,由阿貢國家實驗室提供技術支持。Nek5000被廣泛的應用于許多問題中,比如反應堆堆芯熱工水力學、血管流動、大氣和海洋建模以及燃燒等領域。SEMTE的科研人員使用這個程序來研究一些領域的基本的物理問題,比如熱傳遞問題和湍流問題,它們目前的商業應用主要是在航空航天和風能行業。該團隊(綜合模擬計算流體實驗研究團隊)正在開發各種應用來提高Nek5000的功能。

Nek5000采用了譜元法,將有限元求解器的幾何靈活性與全局譜元法的高精度特性相結合。這個程序的優點在于它能夠以很高的精度來研究十分復雜的流動形式,包括幾何上的復雜性和多組分/多物理流動。

對于高保真方法預測的湍流流動,比如直接數值模擬法,在這種方法下,N-S方程在足夠精細的網格上被離散,所有尺度的運動都得到直接的求解,不需要模型。這是一種優秀的方法,它具有最小的離散度和耗散誤差。使用Nek5000最大的困難在于它要求采用3D六面體單元。通常來說,大多數CFD軟件使用四面體網格,因為對于一般的幾何外形,四面體網格更加容易生成。這給亞利桑納州立大學的研究人員們帶來了挑戰——如何利用多功能、先進的網格劃分軟件(如HyperMesh)。在使用Nek5000的時候,生成高質量的六面體網格。

“我很高興能使用HyperMesh,我認為它是我用過的最好的網格生成工具。從很多方面來講,它都是一個非常有價值的軟件。比如它出色的參考資料,這些資料都十分容易獲得,對于其他的商用軟件而言就不一定了。使用HyperMesh后,我們在許多問題上的工作效率都變快了,劃分網格的流程也十分簡單。事實上,在過去的一年里,我們團隊里面的碩士生有一半使用過HyperMesh自定義導出模塊,為研究流經幾何結構的流動生成網格,否則這些網格將不能被識別。”

Philip Sakievich

博士生、助理研究員

亞利桑那州立大學航空航天與機械工程系

解決方案

為了應對這項挑戰,綜合模擬計算流體實驗室的研究人員立了一個課題來研究開發轉換工具,使從商用軟件HyperMesh中導出的網格轉換為Nek5000程序能夠使用的格式。在這個課題開始前,研究人員還沒有一個劃分網格的流程。大多數的網格劃分都是由15-20年前開發的定制軟件來處理的,而且這些軟件從那以后只有較少的更新。另外一些用戶針對一些特定的問題,在一些軟件比如Matlab中,創建他們自己的網格劃分工具。當處理不規則幾何外形的時候就變得更加復雜了。在建立一個標準的流程的時候,一個成熟的工具比如HyperMesh是很有必要的,因為它允許用戶通過幾何劃分網格。 SEMTE的研究人員選擇HyperMesh,是因為它中立于求解器,出眾的參考文檔,以及開放的架構。

“使用HyperMesh后,我們團隊能生成高質量的網格。此外,由于它能讀取所有的常用網格格式,其它團隊用另外一些軟件劃分的網格,我們可以用它進行轉換。這極大的增加了我們與其他研究人員的合作能力,并且這使得我們能集中更多精力在我們關心的實際研究問題上。這都是我們團隊獲得的好處。”Philip Sakievich說道。

有了工具后,工程師們開始研究一些很小的問題,這些問題由5到10個單元組成。在項目的過程中,他們一直在開發和調試程序,隨后在更大的范圍去測試。經過幾周的深入研究和編寫程序,這些研究人員最終確定了導出模板,編寫了一個總體上對用戶更友好、更不容易出錯的流程。網格在HyperMesh中生成以后,導出模板將所有的數據組織分類,以便它能在Nek5000中以需要的格式在用戶模板中導入。轉換工具先將每個單元的節點坐標從原始的HyperMesh格式轉換成Nek5000的數據格式。用戶也通過HyperMesh施加了邊界條件,這些數據將在幾何轉換完成后,轉換成Nek5000的格式。然后所有的這些數據都被寫入到一個文件中,這個文件就可以提交到Nek5000中進行求解。工程師們也為網格加入了邊界點,以便增加幾何的可變形特性,并且轉換器會自動識別這個基于HyperMesh的單元類型的信息。