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哪些网格才能成为Fluent眼中的”好孩子“呢?

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15天前浏览7966

本文摘要(由AI生成):

本文主要讨论了Fluent仿真中网格的要求和特点,以及如何判断一个网格是否适合Fluent仿真。主要矛盾是网格的效率与准确性和网格的扭曲度。效率与准确性要求该密的地方密,其他区域稀疏,主要体现在几何细节和变量存在大梯度的位置。网格的扭曲度可以通过网格质量、长宽比、过渡等指标进行判断。

我们使用各种工具进行Fluent仿真的前处理工作,目的是获得适合于流体计算的有限元网格。对于不同的网格,他们的数量、类型、分布、形状……等特点都不尽相同,但是对于绝大多数的体网格来说,都还是能够在Fluent中进行仿真计算的。

这个时候,Fluent就好像一个成熟稳重的“成年人“,而这些形形**的网格则好比一群”孩子“一样。Fluent需要接纳这些”孩子“并进行计算,但是也会对孩子的情况进行反馈和评判。本文就简单的探讨一下,哪些网格才能成为Fluent眼中的”好孩子“呢?

图1 ANSYS官方教材中优质网格应具备的条件

在流体仿真的工业应用中,网格的要求主要包括以下三个方面:准确、高效、易于生成。但需要注意的是,Fluent软件本身对网格的要求并没有那么高。

比如在17.0版本之后,对于高扭曲度的网格,Fuent还提供了一种包裹的方法进行修正,以避免非物理解的存在。从这个角度来讲,Fluent可以认为是一个很宽容上进的“成年人”,不断的在改进自身的能力和素质,以适应不同类型“孩子们“的需求,而且持续的在降低进屋的门槛。

图2 高扭曲度网格的包裹修正,实际上是降低了对网格的要求

就像我们都喜欢有教养、懂礼貌、活泼、可爱的孩子一样,Fluent对于网格的偏好也是有明确的量化指标的。但是对于一个网格来讲,他的特点是包含很多方面的,究竟哪些特性是能够吸引Fluent,或者说哪些是主要被Fluent这个成年人所关注的呢?

是六面体么,还是Cutcell或Polyhedral?是通过Gambit生成的网格、还是表面图案整齐一致的网格呢?

★ 名词的释义

网格的好坏(优劣),一般情况下都被大家等同于网格质量,这个概念从广义上理解是没有错的。毕竟质量好,就证明是优秀的;质量差,也就可以认为是劣质的。但需要注意的是,我们有限元仿真的网格中有一个专有名词,就叫做“网格质量”(Mesh Quality)这是一个定量的描述,就好像和“网格数量“的概念是一样的。“网格质量”虽然有多种衡量方式,但是每一种标准都是一个数值;可大、可小,可以定量计算,也可以统计分布。

因此,为了避免概念上的混淆,在本文中,我们就用“网格扭曲度”这个词来代表“网格质量”的专有概念。同时,也会尽量的避免出现“质量”这两个字。

但是网格的特征实在是太多了,比如他的数量、类型、分布、形状等等因此我们可能需要借助一些方法来看这个问题。唯物辩证法中关于事物的特点,有一个重要的概念叫“重点论”:简单的理解就是在不同的情境下,应该抓住事物的主要矛盾。

图3 唯物辩证法中的“矛盾“和”重点论“

流体仿真需要的网格有很多的特点,从辩证法的角度,我们可以认为这些特点都是一个一个的矛盾。那么既然要抓住主要矛盾,就必须要知道哪些因素是优先考虑的。

对于Fluent仿真来讲,主要矛盾只有两个:一是网格的效率与准确性;二是网格的扭曲度。

图4 ANSYS官方培训教材中,也将“效率与准确性”和“扭曲度”列为网格最重要的特征

因此,只要能够满足这两条“矛盾“的网格,Fluent认为都是好的网格;至于其他的因素,比如网格的类型、是否包含Interface交界面、生成网格使用的软件、网格是否整齐、外观是否好看等,都是次要矛盾。这些次要矛盾并不会影响Fluent对该网格的”看法“,简单的讲,就是不会对仿真结果有过多的影响。 

但是网格的效率、准确性和扭曲度,却会对Fluent仿真的求解造成决定性的影响。

★ 网格的效率与准确性

首先我们来分解这个概念。

● 效率:就是网格的数量不能太多,因为这样会导致总体的仿真时间过长,从而降低效率。

● 准确性:就是计算的结果要合理,各个位置变量的值(和梯度)要能够准确的体现出来。

因此,如果我们希望网格满足效率与准确性的要求,就必须要做到:该密的地方密,其他的地方稀疏。哪些地方的网格该密呢?主要有两个区域:

※ 几何具备精细细节的位置

几何细节的精细程度通常是在以下两种情形中体现出来的:一是有弧(曲面)的地方;另一个则是有狭缝的地方。如果我们不加密曲率大的几何区域,那么曲面将变形失真;如果狭缝的区域不进行加密,则会出现网格的尖角。

图5 曲率和狭缝使几何细节加密中最为常见的特征

※ 变量存在大梯度的位置

很显然,如果一个变量在较小的区域发生了较大的改变,那么如果网格数量不够的话,则是不能准确描述这种梯度变化的。毕竟我们的仿真采用的是离散的方法,一个网格只能代表一个值,所以当梯度大的时候,必须要用多个网格才能准确描述。

图6 当网格不能捕捉大梯度变量时,计算结果往往是不正确的

图7 当网格能够捕捉大梯度变量时,计算结果才能得到保证

通常,如果我们不首先进行仿真计算的话,是很难确定哪些区域存在大梯度变量的。当然,对于成熟的流体工程师,经验可能会给我们以指导。为此,我们需要在网格划分之前就能够粗略的判断,可能出现的大梯度变量的位置。对于这些位置,我们可以通过影响体的方法进行局部的网格加密。

图8 经验告诉我们,应该在障碍物的下游方向加密网格

对于其他的、无法预判的大梯度变量区域,我们只能依赖Fluent中的网格自适应功能,在求解之后进行局部加密,当然,这个也是已经非常成熟的方法了。

除了影响体(或球)的方法局部加密以外,边界层网格也是一个自动加密大梯度变量的有效途径。所以,Fluent会非常喜欢有边界层的网格,因为他们即准确又高效。

图9 Fluent最喜欢有边界层的网格

如果所有的位置网格都很稀疏,那么将无法有效捕捉变量的大梯度、也无法准确描述几何的实际特征,计算可能会出现大的错误;如果所有位置的网格都很密,那么计算量会过大,而且在梯度小的区域,过多的网格没有任何的意义,这不满足效率优先的要求,实际上也造成了资源的浪费。

★ 网格的扭曲度

对于自动生成的体网格(非六面体),网格的扭曲度基本上就可以定量的衡量“网格的质量“这一专有概念了,因为skewness和长宽比、过渡等属性评判的标准都是类似与统一的。对于六面体而言,网格的扭曲度恐怕不能完全的覆盖所有的评判标准,还需要长宽比、网格间过渡等指标进行联合判别。

图10 网格扭曲度的判别标准 

图11 六面体网格的额外判别标准

以上两个概念(效率与准确性、扭曲度)都是Fluent眼中优质网格必备的特点,但是他们两个的定位还有所区别。

效率与准确性可以认为是决定性的因素,他是所有网格必须优先考虑、并依照该要求进行布局和生成的标准。相反,网格的扭曲度可以认为是一个“一票否决权”;他平时并不出现,也不干涉网格构建的流程,只是在网格完工之后出现,更像是一个监管的部门;它的工作就好比工程中的验收一样,没有问题最好;如果有问题了,就必须要处理一下。

根据我们的调查显示,绝大部分的工程师在构建流体网格的时候,通常是忽略了效率与准确性的要求,而仅仅是判断一下网格扭曲度就做结论了,这是不合理的,也是不负责任的。举一个例子,假如一个流体网格不能够在大梯度变量存在的区域有足够多的网格,那么就会出现我们非常常见的流体仿真问题:残差不收敛、粘性比超标、计算发散……

最后总结一下,在Fluent这个宽容的“成年人“眼里,好孩子(网格)的标准只有这些:有礼貌(效率)、有教养(准确性)、活泼可爱(扭曲度)。

因此,喜欢一个孩子(网格),不会在乎他是男孩(六面体)还是女孩(四面体)、也不会在乎他是高还是矮(是否包含Interface交界面),是什么出身背景(用哪种软件生成的)、相貌如何(网格是否整齐)、性格外向(cutcell网格)还是内敛(Poly网格)。

图12 Fluent 眼中的好孩子

作者:张杨,仿真秀专栏作者

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首次发布时间:2019-05-20
最近编辑:15天前
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