HyperMesh中的CFD前处理功能

InnovationIntelligence®HyperMesh中的CFD前处理功能Liu Siqian   CFD[e-mail]©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.内容安排什么是CFD？如何运用HyperWorks进行CFD分析？CFD网格的具体要求创建CFD网格的一般流程CFD面网格划分（含Demo演示）CFD体网格划分（含Demo演示）CFD模型整理与导出HyperMesh中的AcuSolve求解器面板Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.I.什么是CFD？Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.流体力学简史250 BC：Archimedes(Greece)1500：LeonardoDaVinci(管道修建)1700：IsaacNewton(粘性定理)18世纪：流体力学理论的建立Bernoulli，Euler，Navier，Stokes19/20世纪Reynolds,Prandtl,Taylor,Karmann1930-50流体运动研究(圆柱绕流)1960s-70s多种数值计算方法及数值格式1980s-90s商业CFD软件Karmann vortexstreetIsaac NewtonCopyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.流体力学的三种研究方法实验流体力学(ExperimentalFluidDynamics)理论流体力学(TheoreticalFluidDynamics)计算流体力学(ComputationalFluidDynamics)Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.计算流体力学(CFD)计算域被离散成一系列的控制体或单元；离散域通常被称为网格。流体力学的控制方程，即质量、动量、能量等的守恒(输运)方程，由连续域中的偏微分方程变换为离散域中的代数方程。求解控制方程可得到流场中的各变量分布。NavierStokes方程组变量: 压强，密度，速度，温度，能量...Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.II.如何运用HyperWorks进行CFD分析？Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.CFD分析流程AcuConsoleHyperMeshAcuSolveOptiStruct(linear,static)Radioss(non-linear,explicit,dynamic)Star,Fluent,CFX,FOAMHyperViewAcuFieldView前处理器求解器后处理器P-FSI(eigenmodes)DC-FSI(co-simulation)Loads(T,p,…)Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.*限制条件：AcuConsole不支持几何清理；SimLab不支持CFD体网格划分（没有边界层选项）及AcuSolve参数设置；*HyperMesh可满足CFD前处理的各个阶段，但是必须先生成体网格才能设置求解器参数；AcuConsole的四面体网格功能比HyperMesh更强大、更高效；HyperMesh中的AcuSolve参数设置面板并没有把AcuConsole的所有功能都包括进去。基于以上几点，推荐使用AcuConsole进行体网格划分和求解器参数设置。*HyperMesh和SimLab都擅长几何清理和模型简化，但简化的原理不同：前者基于几何模型，后者基于面网格。SimLab的特色在于简化和清理过程中可忽略网格质量，只需保证网格的连通性即可，完成模型简化后，可通过全局/局部网格重构、单元质量检查及修复等功能优化网格。CFD计算要求面网格必须是封闭的，不同部件之间的网格连接关系是CFD建模的重点，HyperMesh的Mesh Boolean功能，SimLab的Body Union功能都可以满足这个需求。另外，针对特别差的CAD模型，SimLab的Local Wrap和Tight Wrap功能可以实现对初始模型的迅速包面。HyperWorks的CFD前处理方案CAD模型导入几何清理及模型简化面网格划分体网格划分求解器参数设置HyperMeshHyperMeshHyperMeshHyperMeshHyperMeshHyperMeshHyperMeshAcuConsoleHyperMeshHyperMeshAcuConsoleAcuConsoleHyperMeshAcuConsoleAcuConsoleAcuConsoleSimLabSimLabAcuConsoleAcuConsoleCopyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.III.CFD网格的具体要求Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.五个问题选择什么类型的网格？四边形/六面体网格三角形/四面体网格混合网格在每个区域内，需要达到的网格分辨率是多少？大约需要多少个单元/节点？是否需要特殊操作以提高分辨率？是否有足够的计算机内存？Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.湍流建模对网格的要求直接数值模拟(DirectNumericalSimulation)直接求解完整的NS方程组，不对湍流进行建模网格分辨率极高计算量极大，耗费计算资源，不适用于工业SmallstructuresLargestructures大涡模拟(LargeEddySimulation)求解空间平均的NS方程组大涡直接求解，小涡需要建模网格分辨率低于DNS仍需耗费相当可观的计算资源雷诺平均模拟(ReynoldsAveragedNavier-StokesSimulation)求解时域平均的NS方程组对各尺寸的湍流均需建模网格分辨率相对昀低，在工业中被广泛应用DNSLESRANSCopyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语网格(Grid/Mesh)几何模型的离散化表现形式流体区域由单元构成有明显的边界区域，用于设置边界条件单元(Cell/Element)：控制体节点(Node)单元中心(Cellcenter)边(Edge)面(Face)区域(Zone/Domain)节点、面、单元的集合如边界区、流体区Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语几何拓扑(Topology)表面连通性(Connectivity)由SurfaceEdge控制如果一条SurfaceEdge与一个以上的面相连，那么这些面被认为是连通的根据与其连通的面的数量，SurfaceEdge可以被分为以下几类：根据不同的颜色命名表面连通性的定义可扩展到网格连通性Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语网格连通性(MeshConnectivity)Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语特征化(Featuring)和去特征化(Defeaturing)增添/简化模型的几何细节需要了解几何特征对于网格的拓扑影响删除边添加边去除固定点添加固定点替换固定点操作后操作前Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语网格种类三角形(Tri)四面体(Tet)金字塔体四边形(Quad)六面体(Hex)棱柱体/楔形简单的几何模型：六面体网格，求解精度高，网格数量少复杂的几何模型：四面体网格，保持几何特征，保证求解精度混合网格：特定区域用不同类型的网格，权衡效率与精度Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语单块结构化网格(SingleBlock,StructuredGrid)采用(i,j,k)索引确定邻近单元的位置不适用于复杂的几何模型多块结构化网格(Multi-Block,StructuredGrid)网格由任意连接的网格分块组成在每个网格分块中采用(i,j,k)单元索引与单块结构化网格相比，更具灵活性，但灵活度仍受局限Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语非结构化网格(UnstructuredGrid)单元布局不受限制，不再采用(i,j,k)索引单元需要占用更多的内存和CPU混合网格昀合适的单元类型的组合使用体网格和面网格的组合使用Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语边界层(BoundaryLayer)在近壁区域采用细网格，以捕捉边界层流体中的小涡结构湍流模型使用壁面函数(WallFunction)对近壁区域的流体变量建模，如近壁区的速度分布•速度边界层：速度梯度•热边界层：温度梯度定义边界层的四个参数•第一层厚度：通过y+(无量纲第一层厚度)推算•生长率：控制在1.3以下•边界层层数•边界层总高度：一般需包括10~15个单元错误的边界层会导致错误的结果3种不同的边界层设置对应的3个结果Copyright©2015AltairEngineering,Inc.ProprietaryandConfidential.Allrightsreserved.网格术语局部加密(LocalRefinement)几何模型中有突变，如台阶、锐角等，流体的流动情况会发生相应的变化为了捕捉相应的流动现象，需要对这些区域的网格进行加密延伸至下游的加密局部区域加密锐角翼型台阶Copyright©2015AltairEngineering,