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流体仿真前处理，Fluent工程师的”基本功”和”看家本领”

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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仿真圈

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Fluent软件的工作原理是应用了有限元的思想，将连续的空间离散成一定数量的控制体，从而使得流体力学中的偏微分方程组得以求解。因此，在Fluent求解之前，必须要进行一些准备工作，这一类工作我们简单的称之为前处理。

图1 Fluent仿真必须划分网格

很显然，前处理是Fluent仿真的必要前提条件，也是我们流体工程师的“基本功”。

前处理的输入条件是外部的CAD系统，通常是产品设计中的3D几何模型，当然，工程师也可以自己直接在前处理的过程中建立几何模型。

★ 前处理的最终目的：获得网格。当然，对于通过前处理得到的网格，还是有一些要求的，比如：
1、必须是体网格（3D/2D）;

2、对应的命名系统必须完善（Domain/Boundary）;

3、不同的求解器应有不同的网格格式（扩展名不一致，最常用的是*.msh）。

每名Fluent 工程师从最开始了解软件的时候，都必须要先从网格软件学起，有的人学习了Gambit，有的人则学习了ICEM 。随着仿真学习的深入，大家又进一步了解了其他相关的前处理工具，比如说：
● Design Modeler
● Spaceclaim
● Workbench Meshing
● Tgrid
● Pointwise
● Ansa
● Hypermesh
● ……

图2 常用的流体仿真前处理工具

这些软件中，有的专精于几何处理，有的专注纯网格划分，还有的擅长一体化前处理流程。总之，不管最终选择了那款软件，原则上都可完成流体仿真的前处理工作。当然，仿真的本质仍旧是工程，高效快速的前处理进程才是首要的。
流体仿真的前处理在实际的产品工作中相对较为复杂，主要分为以下两种基本思路：

1、分别在不同的软件中处理几何和网格

2、在单独的软件中直接完成整个前处理工作

图3 先几何，后网格的前处理思路

图4 一体化前处理流程，直接读入CAD文件

对于大多数工程师来讲，这两种方式都是能够完成任务的。但对于Fluent初学者或希望提升能力的流体工程师而言，第1种是推荐的方式。因为使用多个软件，可以有效利用它们在各自环节上的专项特点，高效实现功能和流程上的优势互补，从而使前处理的整体工作效率更高。当然，第1种前处理方式对工程师的要求也相对更高，因为需要掌握更多的软件功能。
思路确定了之后，就涉及到前处理的网格选择。当然，对于网格的选择，实际上需要考虑的内容也是相对较多的。粗略来讲可以分两类：

● 自动四面体网格划分
● 手动六面体网格划分。

图5 不同的网格选择方式对应的工作量比重

从工业品的实际仿真角度来讲，都会选择自动四面体网格划分，因为工作效率更高。除非有专用的场景或特殊的需求，才会使用手动的六面体网格。
如果选择了四面体网格，那么前处理的主要工作就落在几何处理的部分了。Fluent仿真中几何处理的工作，通常都是使用SCDM来完成的，因为该软件具备专用的CAE仿真分析前处理工具，可以极大的提高工作效率。
★ SCDM在仿真前处理中的优势：
● 直接建模工具，实现无约束的快速工作流程
● 主流几何格式读入接口，高效对接外部CAD系统
● 专用的几何修复和简化工具
● 快速内/外流场获取工具和中面抽取工具
● 共享拓扑工具
● 基于workbench 的无错数据传递

图6 SCDM具备强大的几何处理能力

通过SCDM将几何处理完毕之后，网格划分的工作就变得相对简单了。对于四面体自动生成网格的方式，通常建议使用Workbench Meshing来完成。

该软件是ANSYS旗下应用最为广泛的网格划分工具，具备有多物理场网格划分的功能，可以在流体、结构、电磁、显示动力学、水动力学等物理场仿真的流程中，出色的完成对应的功能，划分区分各自求解器特征的有针对性的网格。
对于大多数的Fluent仿真算例，Workbench Meshing都是一个不错的选择，它可以针对各个行业的流体问题进行高效准确的网格划分：
● Workbench Meshing具备有简单高效的工作流程；

● Workbench Meshing与scdm配合使用，可以快速生成共节点的体网格；

● Workbench Meshing 可以快速生成混合网格，提升计算效率和仿真精度。

图7 常用的三种Fluent网格划分工具

当然，如果有高级的网格需求，或者有部分SCDM难以处理的问题，则可以使用Fluent Meshing进行网格划分。这个软件功能强大，效率极高，但学习起来难度较大，不适合仿真新手。
最后回到之前讨论网格的位置，如果我们没有选择四面体，那么ICEM CFD则是不错的选择。它可以针对任意的几何模型划分全六面体网格，当然，对应的工作量和难度也会相对较大。

以上就是关于Fluent仿真前处理的内容概述，它是每个算例都脱离不开的“基本功”。
我们都知道，在体育比赛中，无论是足球、篮球还是羽毛球、乒乓球，都需要选手具备扎实的基本功，否则就容易出现低级的失误，从而影响比赛的结果，甚至输掉比赛。

在2018年的热身赛上

王燊超的一次停球失误直接导致对手威尔士的进球

可以认为是基本功不扎实的一种表现

对于Fluent工程师也一样，前处理能力在某种程度上就是我们最为重要的基本功。如果基本功不扎实，网格处理的不好，就有可能会出现非物理解、仿真不收敛、计算结果发散等问题，这些情况对整个仿真案例的影响都是巨大的。
因此，作为一名流体工程师，必须要具备扎实的“基本功”，这才能保证在工作中不出错。当然，我们也不要小看了前处理这一项技能，因为它不仅仅表征个人在仿真层面的基础技术水平，在某种程度上，它也可以成为Fluent流体工程师的“技术担当“，成为我们的“看家本领”。

前处理的能力不光可以限定Fluent工程师仿真能力的下限，也是可以决定仿真能力上限的。
我们都知道，在实际的Fluent仿真中，工程师大部分的人工操作都在前处理这一块，剩下的工作则大多由计算机自动完成。因此，前处理的工作效率可以基本认定反比于企业在仿真这一块的人工成本，前处理的效率越高，仿真的价值就越大，对应的人工成本就越小。因此，一个Fluent工程师是否“值钱“，还是要参考他前处理水平的。

通常，资深的流体仿真工程师，往往都具备着“看家本领”级别的前处理能力。包括但不限于以下几个方面：
● 前处理的工作思路：针对任何形式的几何模型，都能快速整理几何处理思路；

● 能够快速定位几何出现错误的区域（如：面缝隙、面破损、面错误等）；

● 能够快速修复几何错误，并与初始几何形状偏差不大；

● 能够快速定位需要简化的区域（如实体之间的缝隙、细长的小面等），并且不会出现遗漏；

● 能够快速完成简化几何（或相关网格）的任务；

● 能够高效准确消除质量差的网格；

● 最终获得的网格能够有效捕捉到大梯度区域和精细几何细节，网格总量控制在硬件承受能力之内；

● 能够在特定的场景（需求）下，高效的完成全六面体网格划分；

● 掌握软件的高级功能，（如周期网格，网格复制、拼接，新增边界层网格等）；
如果真的完全具备了以上的技能，那么此时的前处理就从“基本功”变成“看家本领”了。当一名Fluent工程师希望通过学习进阶成为高级流体工程师时，高效准确的前处理技能则会是一条必经之路。