参考第05章fluent网格.docx

参考第05章fluent网格.docx

《参考第05章fluent网格.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《参考第05章fluent网格.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

参考第05章fluent网格

网格的读入和使用

FLUENT可以从输入各种类型，各种来源的网格。

你可以通过各种手段对网格进行修改，如：

转换和调解节点坐标系，对并行处理划分单元，在计算区域内对单元重新排序以减少带宽以及合并和分割区域等。

你也可以获取网格的诊断信息，其中包括内存的使用与简化，网格的拓扑结构，解域的信息。

你可以在网格中确定节点、表面以及单元的个数，并决定计算区域内单元体积的最大值和最小值，而且检查每一单元内适当的节点数。

以下详细叙述了FLUENT关于网格的各种功能。

（请参阅网格适应一章以详细了解网格适应的具体内容。

）

网格拓扑结构

FLUENT是非结构解法器，它使用内部数据结构来为单元和表面网格点分配顺序，以保持临近网格的接触。

因此它不需要i，j，k指数来确定临近单元的位置。

解算器不会要求所有的网格结构和拓扑类型，这使我们能够灵活使用网格拓扑结构来适应特定的问题。

二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格，三维问题，可以使用六面体、四面体，金字塔形以及楔形单元，具体形状请看下面的图形。

FLUENT可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。

另外还接受FLUENT有悬挂节点的网格（即并不是所有单元都共有边和面的顶点），有关悬挂节点的详细信息请参阅“节点适应”一节。

非一致边界的网格也可接受（即具有多重子区域的网格，在这个多重子区域内，内部子区域边界的网格节点并不是同一的）。

详情请参阅非一致网格

Figure1:

单元类型

可接受网格拓扑结构的例子

正如网格拓扑结构一节所说，FLUENT可以在很多种网格上解决问题。

图1—11所示为FLUENT的有效网格。

O型网格，零厚度壁面网格，C型网格，一致块结构网格，多块结构网格，非一致网格，非结构三角形，四边形和六边型网格都是有效的。

NotethatwhileFLUENTdoesnotrequireacyclicbranchcutinanO-typegrid，itwillacceptagridthatcontainsone.

Figure1:

机翼的四边形结构网格

Figure2:

非结构四边形网格

Figure3:

多块结构四边形网格

Figure4:

O型结构四边形网格

Figure5:

降落伞的零厚度壁面模拟

Figure6:

C型结构四边形网格

Figure7:

三维多块结构网格

Figure8:

UnstructuredTriangularGridforanAirfoil

Figure9:

非结构四面体网格

Figure10:

具有悬挂节点的混合型三角形/四边形网格

Figure11:

非一致混合网格foraRotor-StatorGeometry

选择适当的网格类型

FLUENT在二维问题中可以使用由三角形、四边形或混合单元组成的网格，在三维问题中可以使用四面体，六面体，金字塔形以及楔形单元，或者两种单元的混合。

网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格的时候，你应该考虑下列问题：

●初始化的时间

●计算花费

●数值耗散

后面将会详细讨论各种类型网格的特点。

初始化的时间

很多实际问题是具有复杂几何外形的，对于这些问题采用结构网格或块结构网格可能要花费大量的时间，甚至根本无法得到结构网格。

复杂几何外形初始化时间的限制刺激了人们在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格。

然而，如果你的几何外形并不复杂的话，两种方法所耗费的时间没有明显差别

如果你已经有了结构网格代码如FLUENT4生成的网格，那么在FLUENT中使用该网格会比重新生成网格节约大量的时间。

这一特点也刺激了人们在FLUENT仿真中使用四边形网格和六面体网格。

注意：

FLUENT有一个格式转换器允许你从其它程序中读入结构网格。

计算花费

当几何外形太复杂或者流动的长度尺度太大时，三角形网格和四面体网格所生成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。

这是因为三角形网格和四面体网格允许单元聚集在流域的所选区域，而四边形网格和六面体网格会在不需要加密的地方产生单元。

非结构的四边形网格和六面体网格为对于一般复杂外形提供了许多三角形和四面体网格的优点。

四边形和六边形单元的一个特点就是它们在某些情况下可以允许比三角形/四面体单元更大的比率。

三角形/四面体单元的大比率总会影响单元的歪斜。

因此，如果你有相对简单的几何外形，而且流动和几何外形很符合，比如长管，你就可以使用大比率的四边形和六边形单元。

这种网格可能会比三角形/四面体网格少很多单元。

数值耗散

多维条件下主要的误差来源就是数值耗散又被称为虚假耗散（之所以被称为虚假的，是因为耗散并不是真实现象，而是它和真实耗散系数影响流动的方式很类似）。

关于数值耗散有如下几点：

●当真实耗散很小时，即对流占主导地位时，数值耗散是显而易见的。

●所有的解决流体问题的数值格式都会有数值耗散，这是因为数值耗散来源于截断误差，截断误差是描述流体流动的离散方程导致的。

●FLUENT中所用的二阶离散格式可以帮助减少解的数值耗散的影响。

●数值耗散量的大小与网格的分辨率成反比。

因此解决数值耗散问题的一个方法就是精化网格。

●当流动和网格成一条直线时数值耗散最小（所以我们才要使用结构网格来计算啊）

最后一点和网格选择最有关系。

很明显，使用三角形/四面体网格流动永远不会和网格成一条直线，而如果几何外形不是很复杂时，四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。

只有在简单的流动，如长管流动中，你才可以使用四边形和六面体网格来减少数值耗散，而且在这种情况下使用四边形和流面体网格有很多优点，因为与三角形/四面体网格相比你可以用更少的单元得到更好的解。

网格所需条件和所要考虑的问题

本节讨论了特殊几何图形和网格的必要条件以及网格质量的一般评价方法。

.

几何图形和网格的必要条件

在计划解决你的问题的开始，应该注意下面的几何图形设定以及网格结构的必要条件。

●对于轴对称图形来说，必须定义笛卡尔坐标系的x轴为旋转轴（Figure1）.

Figure1:

轴对称图形必须以x轴为中线

●周期性边界条件要具有周期性网格，虽然GAMBIT和TGrid能够产生真正的周期性边界，但是GeoMesh和大多数CAD软件包是无法产生周期性边界条件的。

如果下面的条件需要满足的话，TGrid提供了GeoMesh和大多数CAD软件产生的三角形表面网格生成周期性边界的功能。

1.周期及其内部在它们的边界曲线上有相同的节点分布。

2.周期及其内部的节点与常数平动因子和转动因子有关。

详情请见GAMBIT和TGrid的帮助文件。

如果你用GeoMesh和大多数CAD软件产生四边形网格和六面体网格，你必须保证在周期性区域内的网格是相同的。

然后便可以在FLUENT中使用make-periodic命令建立周期性边界。

详细内容请参阅“创建周期性区域”一节。

（你能够在解算器中对三角形或四面体网格创建周期性边界条件而不用上面所述的TGrid来创建）

网格质量

网格质量对计算精度和稳定性有很大的影响。

网格质量包括：

节点分布，光滑性，以及歪斜的角度（skewness）。

节点密度和聚集度

连续性区域被离散化使得流动的特征解（剪切层，分离区域，激波，边界层和混合区域）与网格上节点的密度和分布直接相关。

在很多情况下，关键区域的弱解反倒戏剧化的成了流动的主要特征。

比如：

由逆压梯度造成的分离流强烈的依靠边界层上游分离点的解。

边界层解（即网格近壁面间距）在计算壁面剪切应力和热传导系数的精度时有重要意义。

这一结论在层流流动中尤其准确，网格接近壁面需要满足：

其中

=从临近单元中心到壁面的距离；=自由流速度；=流体的动力学粘性系数；=从边界层起始点开始沿壁面的距离。

上面的方程基于零攻角层流流动的Blasius解[139]。

网格的分辨率对于湍流也十分重要。

由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。

在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。

一般说来，无流动通道应该用少于5个单元来描述。

大多数情况需要更多的单元来完全解决。

大梯度区域如剪切层或者混合区域，网格必须被精细化以保证相邻单元的变量变化足够小。

不幸的是要提前确定流动特征的位置是很困难的。

而且在复杂三维流动中，网格是要受到CPU时间和计算机资源的限制的。

在解运行时和后处理时，网格精度提高，CPU和内存的需求量也会随之增加。

自适应网格技术可用于在流场的发展基础上提高和/或减少网格密度，并因此而提供了网格使用更为经济的方法。

光滑性

临近单元体积的快速变化会导致大的截断误差。

截断误差是指控制方程偏导数和离散估计之间的差值。

FLUENT可以改变单元体积或者网格体积梯度来精化网格从而提高网格的光滑性

单元的形状

单元的形状（包括单元的歪斜和比率）明显的影响了数值解的精度。

单元的歪斜可以定义为该单元和具有同等体积的等边单元外形之间的差别。

单元的歪斜太大会降低解的精度和稳定性。

比方说：

四边形网格最好的单元就是顶角为90度，三角形网格最好的单元就是顶角为60度。

比率是表征单元拉伸的度量。

正如在计算花费一节所讨论的，对于各向异性流动，过渡的比率可以用较少的单元产生较为精确的结果。

但是一般说来应该尽量避免比率大于5:

1。

流动流场相关性

分辨率、光滑性、单元外形对于解的精度和稳定性的影响强烈的依赖于所模拟的流场。

例如：

在流动开始的区域可以忍受过渡歪斜的网格，但是在具有大流动梯度的区域这一特点可能会使得整个计算无功而返。

因为大梯度区域是无法预先知道的，所以我们只能尽量的使整个流域具有高质量的网格。

网格的读入。

FLUENT能够处理大量的具有不同结构的网格拓扑结构。

因此我们有很多产生网格的工具，比如：

GAMBIT，TGrid，GeoMesh，preBFC，ICEMCFD，I-DEAS，NASTRAN，PATRAN，ARIES，ANSYS，以及其它的前处理器，或者使用FLUENT/UNS，RAMPANT，以及FLUENT4case文件中包含的网格，你也可以准备多个网格文件，然后把它们结合在一起创建一个网格。

GAMBIT网格文件

你可以使用GAMBIT创建二维和三维结构/非结构/混合网格。

详细内容请参阅GAMBIT建模向导，并将你的网格输出为FLUENT5格式。

所有的这样的网格都可以直接读入到FLUENT，菜单：

File/Read/Case...

GeoMesh网格文件

你可以使用GeoMesh创建二维四边形网格或三角形网格以及三维六面体网格和三维四面体网格的三角网格面。

具体请参阅GeoMesh用户向导。

要完成三维四面体网格的创建你必须把表面网格读入到TGrid然后产生体网格。

其它的网格都可以直接读入到FLUENT：

菜单File/Read/Case...。

TGrid网格文件

你可以用TGrid从边界或表面网格产生二维或三维非结构三角形/四面体网格。

具体方法请参阅TGrid用户向导。

在FLUENT中你可以点击File/Write/Mesh...菜单保存网格。

读入网格请点击File/Read/Case...菜单，具体内容参阅读入网格文件一节。

preBFC网格文件

你可以用preBFC产生两种FLUENT所使用的不同类型的网格：

结构四边形/六面体网格和非结构三角形/四面体网格。

下面详细介绍一下。

结构网格文件

要产生二维或者三维结构网格请参阅preBFC用户向导的第六章和第七章。

产生的网格将包括四边形网格（二维）六面体网格（三维）单元。

请记住要指定不多于70个壁面单元和不多于35个入口单元。

读入网格请点击菜单：

File/Import/preBFCStructuredMes