ICEM网格划分原理

2014/10/2ICEM网格划分原理1网格离散原理2ICEM优点3ICEM划分思想4ICEM划分界面介绍5ICEM实际操作刘明洋2013年10月无论是CSD（计算结构力学）、CTD（计算热力学）还是CFD（计算流体动力学）——我们统一称之为工程物理数值计算技术。支撑这个体系的4大要素就是：材料本构、网格、边界和荷载（荷载问题可以理解为数学物理方程的初值问题）。网格是一门复杂的边缘学科，是几何拓补学和力学的杂交问题，也是支撑数值计算的前提保证。网格离散原理网格出现的思想源于离散化求解思想，离散化把连续求解域离散为若干有限的子区域，分别求解各个子区域的物理变量，各个子区域相邻连续与协调，从而达到整个变量场的协调与连续。离散网格仅仅是物理量的一个“表征符号”，网格是有形的，但被离散对象既可以是有形的（各类固体），也可以是无形的（热传导、气体），最关键的核心在于网格背后隐藏的数学物理列式。网格基本要素是由最基本的节点（node）、单元线（edge）、单元面（face）、单元体（body）构成，实质上，线、面、体只不过是为了让网格看起来更加直观，在分析求解过程中，线、面、体本质上并没有起多大的作用，数值离散的落脚点在节点（node）上，所有的物理变量均转化为节点变量实现连续和传递。在所有的CAE环境下，网格的基本要素均可以直接构成，但对于复杂问题而言，这是一个在操作上很难实现的事情，因此，基于几何要素的网格划分技术成为现代网格剖分应用的支点，和网格基本要素完全相同，对应的几何要素分别称之为点（point）、线（curve）、面（surface）和实体（solid）。数值离散求解器是不能识别几何元素的，要对其添加“饲料”，工程师必须对几何元素进行“精加工”，因此，从这个意义上来说，网格剖分的本质就是把几何要素转换为若干离散的元素组，这些元素组堆砌成形态上近似逼近原有几何域的简单网格集合体。因此，这里说明了一个网格“加工”质量的基本判别标准和几何元素的拟合逼近程度，理论上，越逼近几何元素的网格质量越好，当然，几何逼近只是一个基本的判别标准，网格质量判别有一系列复杂的标准。二维网格包含两类：其一是三角形网格；其二是四边形网格，当然，两种网格也可以混合使用。三角形网格为一般用于线性二维单元（线性单元只有一个积分点，当然也有3积分点、4积分点的高次三角形单元），因此，精度一般相对较差，同时，单元数量和节点数量均较高，造成计算负荷加大，但其几何逼近的适应性很好，因此对由复杂二维曲面构成的三维问题，有一定的适应性。四边形网格是矩形、梯形、斜梯形等四边形网格的总称，四边形网格单元容易增加单元积分点分布（4积分点、8积分点、9积分点、16积分点等），因此，对应单元的精度往往较高。理论上，任意复杂的曲面几何域均可以采用完全四边形网格构成。但对于很多复杂工程问题，往往存在一些几何尺度变化较剧烈的区域（俗称极短边界、破碎面、破碎线），这些区域如果纯粹用四边形网格填充，会大幅度增加网格数量，且形状逼近也不好。因此，可以采用混合三角形——四边形网格的剖分策略，这是一种兼顾网格形状、计算效率和精度的网格组合方式，主要以四边形单元为主，局部填充数量极少的三角形网格。可以基于已有的经验，选择合理的网格尺寸Δx，Δy，Δz（瞬态问题选择合理的时间步长Δt），开始求解流动问题。计算结果可能看起来相对不错，，但我们假设在每个方向上将网格尺寸减半，即网格尺寸为Δx/2，Δy/2，Δz/2，网格节点增加8倍后再次计算。如果计算结果与最初的网格下得到的结果没有显著地改变，那么我们可以确定离散误差处于可接受水平上。如果输运变量的值域第二次计算结果差距很大，那么数值解就是网格节点数量的函数，在所有市级算例中，网格需要通过增加节点数目得到细化，直至数值解没有明显变化位置。这表明离散误差被减少到可接受的程度，数值解与网格大小无关。首先，流体肯定不会从低压流向高压之类的常识；其次，需要对计算结果进行网格独立性验证，这一步非常重要。虽然说理论上网格大小趋于零，离散方程就是精确解，然而不幸的是，随网格大小的降低，计算次数及离散方程数量都会增大，一方面增加了计算开销，另一方面，也增加了舍入误差。所以从某种意义上来说，我们不可能得到真正意义上的精确解，我们只能在某种程度上取得折中，一种离散误差和舍入误差中获得取舍。模型的离散：对所提出的数学模型进行数值离散，获得线性方程组。这个过程对于软件使用者来讲要求并不严格，但是对于自己编程计算的人员要求非常高。实际上包含有两步：网格生成及离散方程的形成。网格生成算法，尤其是非结构网格，算法非常复杂，更多的人选择的是采用通用网格生成软件生成网格。而离散方程的形成，主要涉及到数值格式，这个在CFD软件中主要是以用户选择的方式出现；下图是一个数值仿真的过程图。o基于传输放出（基于扩散）网格光顺o关键帧网格交换o在区域重划分过程中具备包含邻接边界的能力o在并行计算中具有区域替换的能力o在瞬态模拟中，可以保留稳态非保角分界面以提高性能o网格变形及优化o实际及改善质量差的网格能力o笛卡尔重画（不包含边界层重划分）o网格检查进度指示器ANSYS13.0ICEM划分网格的优点2014/10/2划分思想：空间思维能力ICEM划分网格原理还是比较简单的，比较考验人的是空间思维和耐心。无非就是把一个完整的六面体块或者切割，或者延展，使其贴近原来的几何，然后对块上的边进行尺寸分割。2014/10/2ICEM对与求解器的支持非常好，支持一百多种求解器，几乎常用的软件接口它都有。对于模型输入接口也很丰富，除了支持常用的中性文件（如igs，stp，x_t等）外，还支持UG，PRO/E，CATIA的直接接口，这为模型的无损导入提供了条件。块实体//..................................................................................|=;=PointCurveBlGeometrySuaeockrfc点/Vertex块直边/Edge平面/点实体曲线曲面辅助操作对象Face(主要操作对象):劈分/合并)实体;:删除简化(;拉伸旋块|转;对称;|||;−−−OgridCgridLgrid;平移:劈分/合并;移动;关增加辅助点增加辅助联:劈分;关联:劈分/合并;线增点线面加辅助面自上而下:块的切+除构造方法自下而上:块的堆积综合运用映射数值仿真属性参量本构关系，状态方程，失效模式动量守恒，质量守恒，能量守恒......时间离散化:时变偏微分方程-定常偏微分方程:......+−有限差分法有限元法定常偏微分方程代数方程组有限体积法属性性质+作用机理离散化+求解显示分析结果+修正实践是检验别真理的唯一标准数学建模数学描述（微分方程组）环境开放系统物质能量信息整体非线性—离散，局部应用线性模拟数解析解值解ICEM操作界面介绍非结构体网格操作步骤•设定线面网格参数值；•定义体区域（Geomerty-CreatBody-MaterialPoint，选体上两点，使其中心在体中）；•生成网格，检查质量，修补网格；曲线周围生成四边形层的设置最里一层的网格高度从里向外的增长率层数•1.准备几何模型（.X_T，.dwg等），建立工作文件夹（路径及文件名全英文）。•2.启动软件，定位工作路径（File-ChangeWorkingDirectory）。•3.导入几何文件（File-ImportGeometry）。•4.（Blocking-CreatBlock/SplitBlock）•5.关联点和线。(Blocking-Associate……)•6.设置网格参量（设置网格尺寸或设置Edge的节点数Blocking-Pre_MeshParams-EdgeParams/Mesh-(PartMeshSetup+SurfaceMeshSetup），并Pre_Mesh（预网格）(modeltree-Blocking-pre_mesh)7.检查网格质量(Blocking-Pre_meshQualityHistograms……)，适当改变关联，优化网格质量（移动点Blocking-MoveVertex……、劈分线Blocking-EditEdge……）。（Determinant0.2;angle18°;Warpage45°）•8.（统一块的方向索引）按要求输出网格（在求解器中进一步的网格操作）。注意：养成经常存盘的好习惯！详细操作步骤ICEM网格的导出结构六面体网格：（导出到FLUENT6.0）生成pre-mesh后右键点击modeltree——〉Blocking——〉pre-mesh，选择converttomultiblockmesh，然后点击output——〉seletsolver，outputsolver选择multiblock-info，点击apply或ok，然后点击output——〉write/viewinput，打开multiblock文件，outputfile给出文件名，点击done。非结构（mesh）网格：（FLUENT6.0）如果四面体网格，生成网格后选择File——〉ExportMesh，选择求解器，solver选择FLUENT6.0。如果是六面体网格，生成pre-mesh后，右键点击modeltree——〉Blocking——〉pre-mesh，选择Converttounstructmesh；然后选择File——〉ExportMesh。solver选择FLUENT6.0。ICEM网格的导出非结构（mesh）网格：（FLUENT6.0）如果四面体网格，生成网格后选择File——〉ExportMesh，选择求解器，solver选择FLUENT6.0，不需要的网格通过选择none进行屏蔽，比如，不需要壳网格shellelements选择none，点击apply或ok。如果是六面体网格，生成pre-mesh后，右键点击modeltree——〉Blocking——〉pre-mesh，选择Converttounstructmesh；然后点击output——〉seletsolver，outputsolver选择FLUENT6.0，点击apply或ok，然后点击output——〉write/viewinput，打开uns文件，outputfile给出文件名，点击done。下面就给大家演示一个三维网格的操作实例