自定义模板与HyperMesh：亚大州立CFD分析新突破

行业：高校/科研

挑战：如何利用网格划分软件，在使 用Nek5000的时候，生成高质量的六面体网格。

Altair 解决方案：利用HyperMesh导出的网格转 换为Nek5000程序能够使用的格式。

优点：建立用户友好的通用网格 划分流程 ； 加强研究人员的合作能力 ；提升学习效率 ；获得更好更精确的结果

项目介绍

亚利桑那州立大学（ASU）的物质运输和能源工程学院(SEMTE)，希望通 过使用商业化的通用前处理软件 HyperMesh，来完成复杂几何外形的网格划 分，以便在谱元法计算流体程序 Nek5000 中使用。 由于 CFD 计算程序需要使 用 3D 六面体单元，在使用 Nek5000 程序时就会遇到划六面体网格的挑战。

SEMTE 的科研人员创建了一项研究项目，来开发 HyperMesh 网格和 Nek5000 代码间转化的工具。这个转化工具可以将 HyperMesh 网格转化为 Nek5000 程序可识别的格式。在使用这个导出模板后，整个流程具有了更好的 用户体验并且更加不容易出错。首先在 HyperMesh 中生成网格，然后在导出 模板中整理好所有的数据并将其分类，以便网格能够以 Nek5000 的正确格式导 入到用户模块中。

挑战

综合模拟计算流体实验研究团队重点开发并利用了许多工具应用于并行计 算机，研究分析复杂的工程问题和物理系统。他们用开源的计算流体求解器 Nek5000 来进行他们的研究。Nek5000 是基于谱元法的一个求解器，由阿贡国 家实验室提供技术支持。Nek5000 被广泛的应用于许多问题中，比如反应堆堆 芯热工水力学、血管流动、大气和海洋建模以及燃烧等领域。SEMTE 的科研 人员使用这个程序来研究一些领域的基本的物理问题，比如热传递问题和湍流 问题，它们目前的商业应用主要是在航空航天和风能行业。该团队（综合模拟 计算流体实验研究团队）正在开发各种应用来提高 Nek5000 的功能。

Nek5000 采用了谱元法，将有限元求解器的几何灵活性与全局谱元法的高 精度特性相结合。这个程序的优点在于它能够以很高的精度来研究十分复杂的 流动形式，包括几何上的复杂性和多组分/多物理流动。

对于高保真方法预测的湍流流动，比如直接数值模拟法，在这种方法下， N-S 方程在足够精细的网格上被离散，所有尺度的运动都得到直接的求解，不 需要模型。这是一种优秀的方法，它具有最小的离散度和耗散误差。使用 Nek5000 最大的困难在于它要求采用 3D 六面体单元。通常来说，大多数 CFD 软件使用四面体网格，因为对于一般的几何外形，四面体网格更加容易生成。 这给亚利桑纳州立大学的研究人员们带来了挑战——如何利用多功能、先进的 网格划分软件（如 HyperMesh）。在使用 Nek5000 的时候，生成高质量的六 面体网格。

“我认为 HyperMesh 是我用过的最好的网格生成工具。它都是一个非常有价值的软件。比如它出色的 参考资料，这些资料都十分容易获得。使用 HyperMesh 后，我们在许多问题上的工作效率都变快了，划分 网格的流程也十分简单。事实上，在过去的一年里，我们团队里面的硕士生有一半使用过 HyperMesh 自定 义导出模块，为研究流经几何结构的流动生成网格，否则这些网格将不能被识别。”Philip Sakievich  博士生、助理研究员亚利桑那州立大学航空航天与机械工程系

解决方案

为了应对这项挑战，综合模拟计算流体实验室的研究人员立了一个课题来研究开发转换工具，使从商用软件 HyperMesh 中导出的网格转换为 Nek5000 程序能够使用的格式。在这个课题开始前，研究人员还没有一个划分网格 的流程。大多数的网格划分都是由 15-20 年前开发的定制软件来处理的，而且这些软件从那以后只有较少的更新。 另 外一些用户针对一些特定的问题，在一些软件比如 Matlab 中，创建他们自己的网格划分工具。当处理不规则几何外 形的时候就变得更加复杂了。 在建立一个标准的流程的时候，一个成熟的工具比如 HyperMesh 是很有必要的，因 为它允许用户通过几何划分网格。 SEMTE 的研究人员选择 HyperMesh，是因为它中立于求解器，出众的参考文档， 以及开放的架构。

“使用 HyperMesh 后，我们团队能生成高质量的网格。此外，由于它能读取所有的常用网格格式，其它团队用 另外一些软件划分的网格，我们可以用它进行转换。这极大的增加了我们与其他研究人员的合作能力，并且这使得我 们能集中更多精力在我们关心的实际研究问题上。这都是我们团队获得的好处。”Philip Sakievich 说道。

有了工具后，工程师们开始研究一些很小的问题，这些问题由 5 到 10 个单元组成。在项目的过程中，他们一直 在开发和调试程序，随后在更大的范围去测试。经过几周的深入研究和编写程序，这些研究人员最终确定了导出模板， 编写了一个总体上对用户更友好、更不容易出错的流程。网格在 HyperMesh 中生成以后，导出模板将所有的数据组 织分类，以便它能在 Nek5000 中以需要的格式在用户模板中导入。转换工具先将每个单元的节点坐标从原始的 HyperMesh 格式转换成 Nek5000 的数据格式。用户也通过 HyperMesh 施加了边界条件，这些数据将在几何转换完 成后，转换成 Nek5000 的格式。然后所有的这些数据都被写入到一个文件中，这个文件就可以提交到 Nek5000 中进 行求解。工程师们也为网格加入了边界点，以便增加几何的可变形特性，并且转换器会自动识别这个基于 HyperMesh 的单元类型的信息。

结论

亚利桑那州立大学物质运输和能源工程学院的研究人员和学生们如今有一个普遍的可使用方法，他们几乎可以对 任何的程序中的复杂几何外形，用基于谱元法的 CFD 程序 Nek5000 来进行数值计算。目前有计划进一步加强转换器 功能，将其返工以便优化它的性能，使得它运行得更加快。 HyperMesh 和自定义导出模块有利于：

• 建立一个用户友好的通用网格划分流程
• 为先进的高度集成工程的工作流程打开了一扇门
• 加强与使用不同工具的研究人员的合作能力
• 提升所有学生在这些项目上的学习效率
• 在各种分析任务中得到更好更精确的结果
• 能对具有复杂几何外形的流动进行数值计算

亚利桑那州立大学是一个追求卓越、成功和影响力的大学，它为美国创建研究性大学建立了一个新的模式。亚利 桑那州立大学致力于公共利益的研究，对周边的社区的经济、社交和文化繁荣承担着亚利桑那州立大学物质运输和能 源工程学院包含了力学、航空航天、材料和化学工程。

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