ICEM CFD初学者指南:避开常见误区,顺利入门

曾经有网友问:“对于复杂的几何模型,怎样利用ICEM CFD进行处理?”当时我觉得很奇怪,他问这话是什么意思呢,复杂模型和简单模型的处理方式难道有本质区别么?经过进一步的交流才发现,在那位仁兄的心目中,ICEM CFD似乎只能进行分块划分六面体网格,当我和他说ICEM CFD能够划分四面体网格的时候,他流露出吃惊的表情。


也许ICEM CFD给人们的印象就是分块划分六面体网格,其官方宣传也是铺天盖地的漂亮的六面体网格。

这其实无可厚非,对于计算来说,六面体网格的确有独特的优势,能做出漂亮的六面体网格绝对是一款网格生成软件的优势。但是正是如此的宣传,可能会导致另外一个误区:特别复杂的模型怎么办?

你能保证所有的几何都能通过分块进行六面体网格划分吗?

为方便叙述,我们将六面体和四边形网格称之为结构网格,将此之外的所有类型网格称之为非结构网格。



1、两类网格的各自优缺点
对于数值计算来说,与用户关系最大的两个因素是:时间与精度。然而这两个因素是相互矛盾的,也就是说要获得高精度的计算结果必然需要花费更多的时间。用户所要做的是在这两个因素之间进行折中。言归正传,下面说一下这两类网格的各自优缺点。

结构网格

通常指的是网格单元或节点间存在索引关系的一类网格。从其数据结构上来看就很清楚,这类网格文件是比较节省存储空间的。因为其存储的时候无需保存所有节点信息,只需保存小部分信息,其他的节点信息可以透过这一小部分信息通过运算法则获取。从结构网格外观上来说(通常结构网格为四边形网格和六面体网格),由于CFD计算是对单元边插值,边数越多意味着越精确,因此结构网格从理论上来说精度要高于非结构网格(这里不讨论数值格式)。

结构网格存在致命弱点:

几何适应性不好。拓扑学已经给出证明任何平面图形都可以用三角形进行填充,任何3D图形都可以用四面体进行填充,但是对于四边形和六面体则不行。因此可以这么说:任何几何模型都可以划分为三角形或四面体网格,但却不一定能够划分为全四边形或六面体。


非结构网格

结构网格之外的所有类型网格统统称之为非结构网格。在数据结构中,非结构网格文件需要保存所有节点信息以及节点间的连接关系。因此其文件大小随节点数增加而增加。在计算时所耗费的内存数量也随节点数增加而增加。

计算精度和收敛性上,相同数量的非结构网格通常是达不到结构网格的精度的(不是那么绝对,取决于网格节点分布和采用的数值算法)。但非结构网格存在得天独厚的优势:几何适应性好。

总结一下:

1)对于几何结构比较简单的模型,尽量采用结构网格划分,能够用较小的计算开销获得较好的精度、较好的收敛性。

2)对于复杂的几何,需要衡量网格生成的时间,对于生成结构网格时间开销很大的情况,可以采用非结构网格划分。

3)对于特别复杂的几何,此时结构网格生成几乎不可能,此时只能采用非结构网格划分。


2、对于混合网格的问题
将几何模型进行拆解,复杂的部分划分非结构网格,简单的部分划分结构网格,组装后的网格称之为混合网格。

混合网格由于其独特的可操作性获得了很多人都青睐。但是很多人不清楚网格分界面该怎样处理。由于将几何进行拆分分别进行网格划分,这样在模型拆分的位置自然形成了两个相互重合的面,生成网格之后也会生成相互重叠的网格。在很多教科书中是采用节点合并的方式进行融合操作

存在的问题是:在该面上六面体一侧有四个节点,四面体只有一个或三个节点,节点数量的不一致导致融合后该区域网格质量非常差。另外一种方式就是不采用节点融合,而是采用交界面方式。其实我个人比较推荐使用这种方式,虽说这种方式也存在一定的精度损失问题,但是控制两边的网格尺寸,还是能够最大幅度的降低的。

不管采用哪种方法,利用混合网格总是会造成精度损失,需要注意的是,在拆解几何的时候,尽量将拆解的位置放到流场不敏感的区域,最大限度的降低精度损失。


3、ICEM CFD、GAMBIT、Mesh
ICEM CFD取代了GAMBIT吗?ICEM CFD是否会消失,最终被Mesh取代?
这个问题实在不好说,可能只有ANSYS公司才能回答了。但是我要说的是,这些软件都是工具,被取代是很正常的事情,我们要做的是熟悉网格生成流程以及网格质量判断方法,使用何种网格生成工具应该是次要的事情,不是吗?

gambit其实并未消失,其网格生成算法已经被集成至mesh模块中。ICEM CFD应该不会消失,因为在14.5版本中将其作为一个模块放入了workbench。
其实用哪一款软件并不重要,所有网格被求解器读取之后在计算机中的反映都是一堆数据,所不同的是这堆数据表现的网格质量。

因此我们需要学习的是如何提高网格质量,以及判别什么样的网格才是好的网格。

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