Fluent Meshing讀入幾何的三種常用方法

對于我們流體工程師來講，“仿真驅(qū)動設(shè)計”是常常被掛在嘴邊的一句話。CFD的主要工作，也是將我們所熟識的物理現(xiàn)象，應(yīng)用到特定的場景（產(chǎn)品）之中。那么，對于這些不一樣的產(chǎn)品，對應(yīng)的CAD模型就是一個最為主要的特征。是否能夠準(zhǔn)確合理的在流體仿真中描述這個CAD模型，就成為了最重要的一件事。

當(dāng)然，由于仿真效率與規(guī)模的限制，過于詳細(xì)的CAD描述則可能會影響仿真的進(jìn)程，因此，我們必須要尋找一種既高效又準(zhǔn)確的方法來讀入CAD模型，從而幫助我們的仿真流程得以順利完成。

Fluent Meshing作為一款高級的流體前處理工具，具備有多種CAD導(dǎo)入的方法，涵蓋從快捷高效到精細(xì)準(zhǔn)確的多個環(huán)節(jié)。而且隨著近幾年版本的更新，功能也逐步完善，用以應(yīng)對不同CAD模型、不同仿真精度的多個需求。

一、Fluent Meshing支持哪些CAD幾何格式？

從ANSYS 16.0開始，F(xiàn)luent Meshing讀入幾何的接口就與SCDM完全一致了，換句話說，幾乎所有主流的CAD格式，目前都可以直接讀入到Fluent Meshing中來。

當(dāng)然，在實際的流體仿真中，我們?nèi)耘f推薦導(dǎo)入ANSYS所支持的幾何格式，比如*.scdoc，*.agdb，*.pmdb等，因為這一類的幾何格式不僅可以確保CAD的數(shù)據(jù)無錯的傳遞，而且還可以保留共享拓?fù)浼懊?a target="_blank">信息。



圖2 Fluent Meshing支持的輸入和輸出文件格式

二、Fluent Meshing讀入幾何的三種常用方法

圖3 不同精度的CAD表面離散方法

1、通過 CAD Faceting方式讀入幾何文件

這種方法是Fluent Meshing的默認(rèn)CAD導(dǎo)入方式，也是使用Workbench打開Fluent Meshing并進(jìn)行幾何輸入的唯一方法。通過該方法導(dǎo)入的幾何會出現(xiàn)在Geometry Object結(jié)構(gòu)樹中，并以類似于*.stl格式的刻面文件方式存在。 該方法主要的優(yōu)點是讀入幾何的速度快，生成網(wǎng)格的數(shù)量少，占用內(nèi)存小，整個計算機(jī)和軟件對模型的響應(yīng)也更為迅速，因此在工作效率上是比較高的。

當(dāng)然，該方法也有較大的缺陷：一是通過該方法離散得到的CAD表面網(wǎng)格不能直接作為流體仿真的表面網(wǎng)格，因為網(wǎng)格質(zhì)量太差；二是該方法離散的精度不高，無法有效捕捉幾何的一些重要特征（如曲面等）；三是該方法不支持自定義的加密，無法人為的對離散后的網(wǎng)格尺寸分布進(jìn)行干預(yù)。所以可以認(rèn)為CAD Faceting的方法效率雖高，但精度無法保證。



圖4 使用 CAD Faceting 方法導(dǎo)入幾何模型

2、通過 CFD surface Mesh方法讀入幾何文件

該方法可以認(rèn)為是在讀入幾何的同時進(jìn)行了一次Remesh的操作，因此導(dǎo)進(jìn)來的CAD文件直接存在于Mesh Object結(jié)構(gòu)樹下。同時，絕大多數(shù)的網(wǎng)格質(zhì)量較好，可以作為流體仿真的表面網(wǎng)格，來進(jìn)行下一步的操作。

使用該方法之前需要對尺寸函數(shù)進(jìn)行定義，包括最大值、最小值、曲率和狹縫的加密等等；當(dāng)然，也可以直接輸入已有的尺寸分布文件（需要預(yù)先生成）。

該方法的優(yōu)勢是導(dǎo)入后生成的面網(wǎng)格幾何精度高、質(zhì)量好。缺點是工作效率較低、生成速度較慢，尤其是當(dāng)幾何存在問題時，這種方法會極大的延長操作的時間。



圖5 使用 CFD surface Mesh 方法導(dǎo)入幾何模型

3、通過readàmeshà *.tgf格式的網(wǎng)格文件導(dǎo)入幾何

對于早期接觸Fluent和Tgrid軟件的流體工程師而言，*.tgf是一個常見的網(wǎng)格文件格式，他與傳統(tǒng)的*.stl格式文件類似，都是通過離散化CAD表面幾何而形成的。

而且，無論是早期的Tgrid還是現(xiàn)在的Fluent Meshing，在導(dǎo)入幾何后仍舊會在默認(rèn)的緩存目錄下生成一個*.tgf格式的網(wǎng)格文件，用以恢復(fù)崩潰所帶來的影響。

對于*.tgf的生成方式，在SCDM 18.0之后的版本中可以直接保存。使用SCDM輸出*.tgf網(wǎng)格文件的效率，要比使用Fluent Meshing讀入*.scdoc幾何文件（CAD Faceting方法）快30%~70%，而且還不會受到版本的限制（比如低版本的Fluent Meshing是無法直接導(dǎo)入高版本的*.scdoc文件的）。

同時，該方法在輸出表面的時候，還可以調(diào)節(jié)精度。因此，對于某些單個流體區(qū)域的問題（多區(qū)域可能會有問題），還是建議使用*.tgf文件進(jìn)行過渡的；輸出文件之后，直接在FM中使用readàmesh就可以找到了。



圖6 使用 SCDM軟件輸出*.tgf網(wǎng)格文件

三、準(zhǔn)確高效的讀入CAD模型的幾種策略

了解了FM讀入幾何的幾種方法之后，我們究竟該如何選擇呢？接下來就來討論一下不同的處理策略。

策略一：先通過 CAD Faceting方式讀入幾何，再通過Remesh方法改進(jìn)

CAD Faceting方法工作效率高，離散速度快，可以高效的將幾何文件讀入到Fluent Meshing的算例中來。但是如上文所述，該方法的曲面精度可能不盡如人意。針對這個問題，可能有些CFD工程師會有疑惑，“Fluent Meshing不是具備有網(wǎng)格重構(gòu)（Remesh）技術(shù)嘛，這個時候只要把粗糙的表面網(wǎng)格加密，就應(yīng)該可以解決精度不足的問題了。” 對于這樣的情況，網(wǎng)格重構(gòu)（Remesh）技術(shù)確實可以處理一部分問題，比如互相垂直的特征，或者交線兩側(cè)的角度比較大，都可以通過加密的方式來提高離散的精度；但是對于曲率較大的弧面，單純的后續(xù)加密是無法提高精度的。

如下圖所示，如果按照相對高效的方法（CAD Faceting）讀入了初始的 CAD 文件，那么在球面部分的網(wǎng)格會比較大，可以認(rèn)為此時的球面被離散成了一個多面體。這個時候再進(jìn)行尺寸分布的定義并隨后對網(wǎng)格重新劃分，如圖所示，則可以看到： 雖然網(wǎng)格數(shù)量有所增加，但離散后的多面體仍舊存在，加密的點并未投影在之前 CAD的球面上，相反則是多出一個加密了的 “多面體”。因此可以認(rèn)為，這種方式對于曲面的精度提升是失敗的，而且新增的網(wǎng)格和節(jié)點會耗費大量的計算資源，可以認(rèn)為是“好鋼沒有用在刀刃上”。

策略二：直接通過CFD Surface Mesh的方法導(dǎo)入CAD幾何

如果在首次導(dǎo)入幾何的時候就按照高精度的 CFD Surface Mesh方法，對曲率和狹縫的位置進(jìn)行加密，那么確實可以有效解決弧面處網(wǎng)格精度不高的問題。當(dāng)然，這種方法也是包含有一定風(fēng)險的，比如：幾何細(xì)節(jié)未知導(dǎo)致尺寸參數(shù)不好確定，全局統(tǒng)一參數(shù)設(shè)定無法體現(xiàn)局部差異，幾何尺寸過小導(dǎo)致網(wǎng)格數(shù)量巨大、等待時間過長等。

策略三：先通過SCDM軟件輸出*.tgf格式的網(wǎng)格文件，再通過Remesh方法改進(jìn)

對于策略一中的CAD Faceting方法，可能存在精度不高又無法有效調(diào)整的情況。如上文所述，與其類似的*.tgf網(wǎng)格格式則可以在導(dǎo)出時定義相應(yīng)的精度，從而提高曲面特征的準(zhǔn)確性。

隨后，依照該面網(wǎng)格進(jìn)行的Remesh網(wǎng)格重構(gòu)，就可以順利的實現(xiàn)CAD表面向CFD面網(wǎng)格的轉(zhuǎn)變。 當(dāng)然，對于這一類方法也是存在一定的不足，比如過于精細(xì)的*.tgf網(wǎng)格文件會占用較大的硬盤空間，讀取起來所需時間也相對較長；同時，多實體間的共享拓?fù)淇赡軙?.tgf格式的網(wǎng)格中失效。

策略四：先通過 CAD Faceting方式讀入幾何，隨后保存*.pmdb和*.sf文件，最后使用CFD Surface Mesh的方法重新讀入該幾何

對于該方法，通常需要3個步驟才能順利完成。

Step 1 通過CAD Faceting的方式導(dǎo)入幾何，并保存*.pmdb文件

這個選項中的*.pmdb格式是ANSYS所支持的幾何文件，和*.scdoc，*.agdb等格式類似，都是可以將CAD幾何無錯的傳遞到ANSYS的網(wǎng)格劃分軟件中來。

當(dāng)然，*.pmdb也有自己的特點，那就是讀取的速度更快，同樣通過Import的方式導(dǎo)入幾何文件，*.pmdb和*.scdoc相比通常都會有數(shù)倍甚至數(shù)十倍的差別。



圖9 導(dǎo)入CAD的同時保存*.pmdb文件

Step 2 定義尺寸分布并保存*.sf文件

讀入之后，我們就可以根據(jù)這個粗糙的三角面片文件進(jìn)行一些參數(shù)的設(shè)定，比如：細(xì)節(jié)特征的測量，狹縫與曲率的捕捉，強(qiáng)制尺寸設(shè)置，影響體尺寸設(shè)置等。有了這些表面網(wǎng)格尺寸分布并計算確認(rèn)之后，接下來則不需要進(jìn)行網(wǎng)格的重新劃分（Remesh）或是包裹（Wrap），而是儲存當(dāng)前的尺寸分布情況Size Field（*.sf文件）。



圖10 設(shè)定并保存*.sf尺寸分布文件

需要注意的是，尺寸分布的情況是空間坐標(biāo)的函數(shù)，與幾何的形狀并無直接的關(guān)系，原則上同一個尺寸分布的文件甚至可以使用在完全不同的CAD模型上（當(dāng)然對應(yīng)的效果可能會比較差）。



圖11 Fluent Meshing可以直接顯示尺寸分布的云圖 S

tep 3 按照CFD Surface Mesh的方法重新讀入*.pmdb文件，并包含*.sf的尺寸分布

保存完畢后，我們重新讀入CAD模型，并按照高精度的 CFD Surface Mesh方法來處理。這個時候，之前保存的尺寸分布（*.sf）文件就排上用場了，我們無需再給定曲率與狹縫的加密方法，也無需擔(dān)心幾何會被過度的細(xì)化，只需要按照已有的分布進(jìn)行幾何表面的離散化即可。

當(dāng)然，重新讀入的幾何建議采用*.pmdb格式，這個是在初次導(dǎo)入幾何時保存的文件，就如同前面說的，*.pmdb格式的文件可以極大的提升CAD導(dǎo)入的效率，同時還能保證幾何的曲面形狀，從而達(dá)到提高工作效率與離散精度的“雙贏”效果。



圖12 重新讀入 CAD模型

綜上所述，建議大家按照以下方法選擇策略：

對于只包含一個實體幾何的流體計算區(qū)域，使用策略三和策略四都可以，因為這兩者都兼顧了效率與準(zhǔn)確性的要求； 對于多區(qū)域的實體（比如共軛換熱問題、多參考坐標(biāo)系問題、多孔介質(zhì)問題等），建議使用策略四來做，因為*.tgf文件中的共享拓?fù)湫Ч赡軙?，從而?dǎo)致大量的重疊與交叉需要后續(xù)處理。





審核編輯：劉清