SCDM软件应用：CFD前处理工作的五步流程

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件。SCDM可以显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE分析的模型处理质量和效率，为用户带来全新的产品设计体验。

SCDM提供给CAE分析工程师一种全新的CAD几何模型的交互方式，可以对现有的模型进行动态的参数化调整，使得对基于特征建模的CAD系统不熟悉的产品研发工程师可以快速建立或者修改3D几何模型，在产品的设计初期即可对产品性能进行仿真。

SCDM基于直接建模思想的集成工作环境使工程与设计人员能够以最直观的方式进行工作，可以轻松地对模型进行操作以解决实际工程问题。使用者不必承受模型再生失败而带来的成本困扰，无需考虑错综复杂如迷宫般的关联关系。

SCDM作为ANSYS软件体系中几何建模工具的重要组成部分，适合于多种数据来源的CAD模型的快速修改、非参数化中性CAD模型的参数化，进而最大程度地支持设计优化，同时其本身提供了操作简洁直观的几何建模功能，适合于CAE仿真模型的快速建立。

SCDM集成于ANSYS Workbench平台，可以直接在ANSYS Workbench平台的工程窗口中直接启动。

在CFD仿真中，流体工程师通常要按照“几何-网格-求解-后处理”的顺序开展工作，如下图所示。几何部分的工作可以被认为是仿真的第一步，也是连接CAD与CAE的桥梁。

从ANSYS 16.0版本开始，我们就强烈推荐各位工程师使用SCDM软件来完成“几何”环节的工作，因为SCDM在仿真前处理的各个方面都具备强大的功能，帮助我们高效准确的完成CAD-CAE的工作流程。

SCDM的基本工作流程如下图所示：

通常，我们可以将基于SCDM软件的CFD前处理工作，简单的分为5个部分：

★ 读入模型

★ 处理模型

★ 流体区域

★ 仿真完善

★ 输出几何

（一）读入模型

SCDM具备几乎所有主流CAD格式的读入接口，这就给我们的“仿真驱动设计（Simulation Driven Design）”目标提供了最基础的技术支持，SCDM可以直接读取ProE、UG、CATIA、Solidworks等软件的零件（.prt）和装配体（.asm）文件。（当然，对应的版本有一定限制，比如说低版本的SCDM不能读取高版本的UG文件。）

同时，SCDM还能高效的读入（与写出）中立格式的CAD几何，常见的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等。

当然，SCDM还具备直接建模的能力，按照草图-实体-变换-布尔运算的思路进行快速建模，无特征、无约束，非常适合概念设计与简单模型生成（可用于测试求解器参数）。

（二）处理模型

当仿真的模型是从SCDM直接建立的时候，通常不需要做模型的处理，这一个步骤也就被忽略掉了。

但绝大多数的情况下，企业中的仿真工程师与设计工程师都是分开的，设计工程师也通常也不会使用SCDM做完整的设计工作，大多数仍旧使用传统的CAD建模软件，这就对设计与仿真的连接提出了更为严格的要求，也是流体仿真工程师工作中的一个难点。

流体仿真处理模型的对象通常是固体（设计）区域，因为流体区域是通过布尔运算得到的（而不是设计出来的）。

通常意义上的流体仿真处理模型分两步：修复模型和简化模型。

1. 修复模型

修复模型的主要目的是获得（多个）实体。各种格式的几何文件导入到SCDM里面后，都会或多或少的出现几何数据传递的错误，常见的几何错误有：

★ 面缺失

★ 面缝隙

★ 面（线）错误

★ ……

SCDM具备有专门的工具来处理这些问题：

第一类：自动化工具，主要包括“拼接、间距、缺失的表面”

● 拼接（Stich）：将多个面拼接成为一个（在结构树中）面

几何数据在传递的过程中不可避免的会出现容差不一致的情况，这一类情况通常会导致实体几何被拆散成多个面；当然，这些面的位置关系通常还是可以保证的，因此，对于此类问题，拼接是一个有效的操作，能够快速将单个实体复原。

● 缺失的表面（Missing Faces）

如果数据传递的过程中出现了面缺失的情况，即使将多个面拼接成了一个面，也不会得到实体几何，原因就是几何不封闭、不水密，只能是一个大的面，而无法成为实体。

这个时候缺失的表面功能就派上用场了，他可以自动修复面缺失的情况，从而封闭几何，得到实体。

● 间距（Gap）

间距的功能与缺失的表面类似，从一个简单的角度来理解，就是大的面用缺失的表面修复，小的面用间距修复。因此缺失的表面功能通常需要输入最小值，而间距功能需要输入最大值。

对于自动修复几何的方法，通常按照以下规则：

1.首先使用拼接功能修复（高版本的软件记得勾选”检查重合”）

2.随后检查间距和缺失的表面，优先修复数量少的问题

3.对于失败的问题，进行手动修复

4.对于主要特征面缺失的情况，建议另外导入包含该面的其他文件

第二类：手动工具，主要包括“融合、拉动、填充等（针对非实体结构的操作）”

当几何的数据比较复杂（如大量的高阶曲面等）时，往往会出现自动修复失败或对修复的面形状不尽满意的情况，这个时候就需要进行手动修复。手动修复通常较为复杂，需要工程师具备较高的软件熟知程度以及清晰的修复思路，本文限于篇幅暂不做介绍。

2. 简化模型

修复模型结束之后，我们通常会得到（多个）实体，接下来就是简化模型的工作。

流体仿真的简化原则通常按照以下的一般性要求来完成：

①简化掉特别细小的特征

②简化与主要流场区域不相关的小特征

③简化尖角区域

④适当的简化狭缝区域

⑤处理流场内部的薄壁挡板

⑥其他需要简化（或几何修改）的情况

通常意义上，简化几何的最终目的是：

★ 减小网格总数量

★ 避免出现网格质量太差的区域

简化模型时常用的SCDM功能：

● 填充

填充是去除独立额外特征的利器，但需要对实体上的面进行操作；填充的本质是删除掉选中的面，随后对未选中的面进行延伸来封闭实体。

● 拉动

当有一些特征不太容易使用填充去除的时候，拉动可能会更容易的产生希望的效果；当然，如果我们的目的不是去除特征，而是对几何进行一些修改的时候（如增加缝隙的距离），拉动还是一个必要的操作。

● 合并表面

实体的表面上会有很多特征边，如果这些边之间的夹角很尖锐，那么往往会降低网格的质量，合并表面可以去除掉这些尖锐的特征；当然，也有改变面形状的风险，这些可以通过测量功能进行定性的判断。

● 移动、对齐、组合等

其他的工具也有使用的时机，这和几何调整的需求是分不开的，限于篇幅暂不展开介绍。

简化几何，最为重要的就是目的明确，我们必须要先清楚几何改变以后的样子，这样才能选择合适的工具，高效的达成目标。

简化模型的时机：

简化模型通常对固体操作，但需要十分清楚哪些固体区域是需要化简的（如不与流体区域接触的位置，实际上是不需要简化的），否则工作量会大幅增加，且很多操作无效。

也可先提取流体区域，再对流体区域（实体几何模型）进行简化，这种情况通常用于仿真中只包含流体的问题（不算结构换热）。

需要注意的事，以上的情况只是针对单一使用流体仿真计算（Fluent或CFX）的问题。多物理场耦合的问题，反而不需要流体与结构几何完全一致，因为场间的数据耦合是采用插值的方式处理的。

（三）流体区域

通常我们按照上面的两步操作，可以得到简化后的实体模型（大多为固体区域）。接下来我们需要通过固体区域来获取流体区域，这样才能完成流体仿真工作。

流体区域的获取，本质上就是实体间的布尔运算操作，一个大的的空间减掉固体的区域，剩下的就是流体的区域。

当然，单纯的使用布尔运算进行流体区域的获取可能也没那么容易。受限于形状等因素，内流场的获取通常要在布尔运算结束以后进行一些切割；外流场的区域获取可能工作效率较低。

SCDM为了解决这些CFD仿真相关的问题，提供了流体区域获取的简便方法，分别的是外壳工具和体积抽取工具，对应的功能是外流场以及内流场。

1. 外流场

在外流场获取的过程中，我们需要注意以下几个方面的问题。

● 外流场的形状

常见的外流场形状有以下几种：

★ 长方体

★ 圆柱

★ 球

★ 其他自定义的形状

原则上，外流场只要选取的足够大，其形状是不会影响求解结果的。

● 对称面（壁面）的选取

当仿真的区域存在对称面的时候，外流场也应该保持对称面的特性（即只能在对称面的一侧存在流体计算区域）。

同对称面，如当仿真区域中存在壁面时，也应该对外流场区域产生影响（即此部分的形状应该是确定的）。

● 外流场的特征方向

当几何的轴线（或特征方向）不与坐标系一致时，SCDM中的外壳功能可以快速调整，使外流场与几何（而不是坐标）对齐。

● 外流场的独立性

外流场生成后，会单独的出现在SCDM的结构树列表中，是一个单独的实体，并且不会与内部的固体区域有任何的干涉和缝隙。

该实体默认是半透明的显示状态，方便用户观察；且该实体是独立的实体，可以后续的进行任何关于实体的操作（如拉动、移动、填充、组合等）。

● 外流场自动更新

为了能够实现工作效率的提升，SCDM还提供了外流场自动更新的功能，用户可以在更改了固体区域之后迅速的更新外流场，同时保持其他的外流场参数（如形状、方向、尺寸大小等）不变

2. 内流场

SCDM中的内流场，并没有采用通常意义中布尔运算的方式进行获取，而是采用了湿壁面扩展再封闭几何的方法。

详细的操作方法按照以下的步骤进行：

1.选取固体区域的进出口

2.选取某一个湿壁面（与流体接触）

3.预览内表面

4.生成流体区域

● 内流场的独立性

内流场生成后，会单独的出现在SCDM的结构树列表中，是一个单独的实体，并且不会与外部的固体区域有任何的干涉和缝隙。

在生成内流场后，外部的固体区域将默认转换成为半透明的显示状态，方便用户观察；和外流场一样，生成的内流场是独立的实体，可以后续的进行任何关于实体的操作（如拉动、移动、填充、组合等）。

● 内流场自动更新

为了能够实现工作效率的提升，SCDM还提供了外流场自动更新的功能，用户可以在更改了固体区域之后迅速的更新外流场，同时保持其他的内流场参数（如进出口、湿壁面等）不变。

SCDM中提供的内流场获取功能是非常强大的，可以快速高效准确的获取内部流场区域，同时也可以查找固体管道区域的漏水点等问题；当然，对于不同的几何，在获取内流场的过程中会出现不一样的问题（主要就是会导致内流场生成失败），因此对比外流场的获取还是有一些额外难度的。这些需要各位工程师在实践中不断的探索和研究，限于篇幅的问题，本文暂不对内流场获取中发生的问题做相关的扩展介绍。

（四）仿真完善

获取流体区域之后，我们通常还需要做一些额外的操作；当然这些操作的目的各不一致，因此难以统一到一个单独的类别之中，我们就简单的称之为仿真完善。

当我们的仿真仅仅涉及到单体的流体分析（不含多孔介质，不含源项等）时，仿真完善的步骤通常可以跳过（最多包含命名）。

当需要考虑多个实体的流体区域，或者流固耦合换热的问题时，就还需要进行多个步骤的仿真完善相关工作。

仿真完善大致需要处理一下几个步骤：

● 几何命名

● 几何参数化

● 多体分割

● 体间缝隙/干涉

● 共享拓扑

1. 几何命名

CFD仿真中的边界（boundary）和体域（cell zone）通常是在前处理阶段就确认好的，确认位置的方式是通过命名来实现的；对于三维的仿真问题，体域（cell zone）是对实体进行命名，边界（boundary）是对实体上的面进行命名。

基于SCDM软件的CFD前处理工作5个步骤的图38

当然，我们也可以考虑在画网格的软件中进行几何命名，也是可以达到同样的目的。

在SCDM中进行命名有以下的优势和缺点：

优势：具备有强大的选择功能，可以快速高效选取希望命名的实体/面，提高工作效率。

缺点：命名不是从几何（而是网格）直接传递给求解器的，因此中间可能会有一定的误差。

需要注意的是：对于初学者，假如使用Workbench Meshing进行网格划分，那么命名在两个软件中通常都可以顺利完成；对于使用Fluent Meshing划分网格的中高级流体工程师而言，建议用SCDM命名，可以极大的提高工作效率。

SCDM进行命名的方法非常简单，只要鼠标在选择状态下，在图形界面中（或结构树中）选取了一个或多个对象（包括点/线/面/实体等），就可以在创建组的标签栏中进行命名。

CFD仿真的命名没有任何的格式要求，工程师自己可以识别即可；当然，建议使用纯英文字符进行命名，否则到求解器中可能会产生乱码。

2. 几何参数化

SCDM软件是支持参数化建模的，可以针对任意导入的CAD几何进行参数化设置；同时SCDM中的参数化设置可以集成在Workbench中，作为整个的CFD工作流程的输入参数。

当然，对于几何参数化的相关功能，我本人是并不推荐大家使用的，原因如下：

① CAE仿真参数化的目的，大多数是为了实现多工况自动计算；而流体仿真的单个案例，通常会持续较长时间，大多数处在十几个小时到几十个小时不等。对于这种“长“周期的仿真工程，显然自动化能够带来的工作量减小是微乎其微的，通常认为是可以忽略的。

② 流体仿真对于网格的要求很高，而几何尺寸改变后的自动体网格划分，网格质量往往无法有效控制，以至于难以满足流体仿真的需求。因此，基于几何参数化的自动网格生成通常被认为是“不靠谱“的。

③ 部分流体求解器的参数也和几何尺寸与网格息息相关，因此参数化流程可能会导致多工况中的部分问题求解发散。

在大多数行业中，流体工程师的大部分工作都是在手动调整网格和测试求解器参数，因此基于几何尺寸的参数化工作往往被认为是不高效、不靠谱的，这也是流体仿真模板较少的主要原因。

3. 多体分割

当我们希望不同的体在CFD求解器中具备不同的特点（比如多孔介质、不同材料的固体）时，就必须在几何的环节把他们区分开；否则上在后面的流程中（如网格、求解等）就很难再把他们分开。

结构树中的多个体可以命成一个名字，这样，他们就会在求解器中被当成单独的cell zone对待。

4. 体间缝隙/干涉

既然是仿真区域存在多个体，那么他们之间就不可避免的会存在问题，常见的体间问题包含干涉和缝隙。对于干涉问题，SCDM提供自动探测干涉区域并修复的功能，可以高效的处理多体间的错误；但对于缝隙问题，难度就很大了，SCDM中仅提供平面间的缝隙检测（基于实体）工具，当多个体相邻的曲面间存在缝隙时，这是十分让人头疼的问题，可能需要更多的高级功能和软件之间的配合来解决，限于篇幅，本文暂不做过多介绍。