计算流体力学ICEM CFD 网格生成基础教程.docx
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计算流体力学ICEMCFD网格生成基础教程
第一章介绍
ICEMCFD工程
Tutorials目录中每个工程是一个次级子目录。
每个工程的目录下有下列子目录：
import,parts,domains,mesh,和transfer。
他们分别代表：
•import/:
要导入到ICEMCFD中的集合模型交换文件，比如igs，STL等；
•parts/:
CAD模型
•domains/:
非结构六面体网格文件（hex.unstruct）,结构六面体网格分区文件（domain.n）,非结构四面体网格文件（cut_domain.1）
•mesh/:
边界条件文件（family_boco,boco），结构网格的拓扑定义文件（family_topo,topo_mulcad_out）,和Tetin几何文件（tetin1）.
•transfer/:
求解器输入文件（star.elem）,用于Mom3d.的分析数据
mesh目录中Tetin文件代表将要划分网格的几何体。
包含B-spline曲面定义和曲线信息，以及分组定义
Replay文件是六面体网格划分的分块的脚本
鼠标和键盘操作
鼠标或键盘
操作
功能
鼠标左键
点击和拖动
旋转模型
鼠标中键
点击和拖动
平移模型
鼠标右键
点击和上下拖动
缩放模型
鼠标右键
点击和左右拖动
绕屏幕Z轴旋转模型
F9
按住F9，然后点击任意鼠标键
进行操作的时候进行模型运动
F10
按F10
紧急图象Reset
第二章ICEMCFDMeshEditor界面
TheMeshEditor,创建修改网格的集成环境，包含三个窗口
•TheICEMCFD主窗口
•显示窗口
•TheICEMCFD消息窗口
主窗口
主窗口中除了图形显示区域，外，还有6个radio按钮：
File,Geometry,Meshing,EditMeshandOutput.
TheFileMenu
TheFilemenu包含
•Open,Save,Saveas,Close,Quit,Projectdir,Tetinfile,
Domainfile,B.Cfile,Importgeo,Exportgeo,Options,Utilities,
Scripting,Annotations,Importmesh,DDNpart.
TheGeometryMenu
TheGeometrymenu模型修补和编辑，边界条件的设置，调用ICEMCFDDDN。
它包含
•DDNtools,Boundconds,Repair,Utilities,Globalsetup.
模型编辑模式，由一排彩色radiobuttons控制
•Surface,Curve,Point,Material,Density,Loop.
它们又分别具有次级菜单
•Create,Delete,Modify,Meshparams,Changefamily,
Copy/move.
TheMeshingMenu
Themeshingmenu包含ICEMCFD各种网格划分模块。
只有用户拥有楼阁模块的license，他才可以使用这个模块。
目前ICEMCFD提供下列模块：
•Hexa,Tetra,Global,Prism,Quad,AutoHexa,Mulcad/Padamm,
P-Cube
按不同的按钮会调用不同的模块。
TheEditMeshMenu
TheEditMeshmenu包含必要的网格编辑功能,粗化、平滑合并等。
具体的操作有：
•Copy/move,Smooth,Refine,Coarsen,Merge,Extrude,
Diagnostics,Uncouple,Bandwidth,Changetype,Change
family,Utilities,Editnodes,Editelements,Editedges,Edit
Blocks,Editsubfaces,Repair
TheOutputMenu
TheOutputmenu针对不同求解器进行边界条件的设置。
此外用户可以调用Mom3d和Visual3进行网格自适应和可视化。
可使用的功能有：
•Selectsolver,Boundconds,Solverparams,Solverinput,
Runsolver,Visual3,Mom3d,RAMM-ICE
Note:
TheICEMCFD后处理模块Visual3,网格优化模块Mom3d,以及与RAMM-ICE的内燃机网格接口必须有另外的license
TheUtilitiesCluster
这些功能都位于主窗口的右上角：
•Help:
connectstheusertotheICEMCFDon-linehelp
•Orient:
控制显示坐标
•View:
定制显示属性
•Undo:
操作反悔
•Redo:
撤销反悔
•Print:
打印
•Shell:
调用一个X-Term命令窗口
显示窗口
Thedisplaywindow,处于屏幕右边,允许控制按照family,geometricentity,element
typeanduser-definedsubsets来显示.
Important:
Sincesomefunctionsareperformedonlyontheentities
shown,theDisplaywindowisaveryimportantfeaturetousewhen
isolatingtheparticularentitiestobemodified.
Families
Color-codedandcustomizable,displaybyfamily,asdefinedinthe
mesherinterface,isavailableinthiswindow.
Geometry
Whenthisbuttonistoggledon,theuserhascontroloverthe
displayofgeometricentities.TheOptsbuttonbesideforeach
entitytypeallowscontroloverthedisplaycharacteristics.
Note:
Basedonthedomainfilechosen,thistogglebuttonwill
eitherbelabeled“unstructured”or“structured,”orbeabsent
altogetherifnodomainfileisspecified.
•StructuredorUnstructured:
Asidefromdisplayofthemesh
basedonelementtype,forevengreaterpower,ICEMCFD
allowstheusertocreatecustomsubsets;thecarefuldisplayof
whichallowsagreatdealofcontrolinthemeshoperations.
•DisplaySubset:
Thistogglebuttonallowsyoutodefinesubset
ofyourmodelbasedonasetofnumerousattributes,including
elementtype,screenselection,coordinateposition,etc.
第三章ICEMCFDTetra四面体网格划分器
自动对CAD模型或者STL模型生成四面体网格，无需先生成表面网格
这是Tetra生成的棱拄和四面体混合网格，包含55万四面体网格和12层33万棱拄网格
介绍
Tetra采用8叉树算法来对体积进行四面体填充并生成表面网格。
用户必须事先规定一些关键的点和曲线。
Tetra具有强大的网格平滑算法，以及局部适应性加密和粗化算法。
对于复杂模型，ICEMCFDTetra具有如下优点:
•基于8叉树算法的网格生成
•快速模型set-up
•网格与表面拓扑独立
•无需表面的三角形划分
•可以直接从CAD模型和STL数据进行网格生成
•对CADsurfacesand/orSTLRepresentation定义网格尺寸
•控制体积内部的网格尺寸
•四面体的节点和曲线与事先的规定匹配
•采用Naturalsize单独的决定几何特征上的四面体网格尺寸
•体积网格和表面网格的平滑、节点合并和边交换
•四面体网格能够合并到混合网格中，并实施平滑操作
•单独区域的粗化
•Enforcementofmeshperiodicity,bothrotationalandtranslational
•表面网格编辑和诊断工具
•局部细化和粗化
•为多种材料提供一个统一的网格
•快速算法:
1500cells/second
ICEMCFDTetra的输入
ICEMCFDTetra的输入方法有：
•SetsofB-SplinecurvesandtrimmedB-Splinesurfaceswith
prescribedpoints
•Triangularsurfacemeshesasgeometrydefinition
B-Spline曲线和曲面
当B-spline曲线和曲面输入后，采用线段和三角形对曲面和曲线进行近似，并在预先规定的点上设置顶点。
B-Spline曲线允许Tetra处理表面上的间断。
如果在表面的边界上没有定义曲线，Tetra划分的三角形会自由的越过间断。
而预先规定的点会使得它认出曲线上尖锐的拐弯。
Tetra中有工具来自动的在尖锐的特征上获取点和曲线。
三角形表面网格
对于三角形表面网格，关键点和曲线能够自动的被识别。
虽然Tetra生成的网格上的节点不完全和原始的网格重合，但是它会符合模型的形状。
这对于从别的网格数据或者立体扫描数据中导入几何模型是很有用处的。
ICEMCFDTetra中的智能几何
ICEMCFD的CAD接口，保留有CAD几何模型的参数化描述，网格可以在修改过的几何模型上重新生成。
在CAD中选中被导入的模型带有附加的信息，它们与主几何模型一起存储，几何模型的参数改变后，用户要重新生成网格只需简单的File>Save，就可以立即进行非结构四面体网格重新计算。
八叉树算法
Tetra网格生成是基于如下的空间划分算法：
这种算法需要的区域保证必要的网格密度，但是为了快速计算尽量采用大的单元。
1.在几何模型的曲线和表面上规定网格尺寸
2.构造一个初始单元来包围整个几何模型
3.单元被不断细分来达到最大网格尺寸（每个维的尺寸按照1/2分割，对于三维就是1/8）
4.均一化网格来消除悬挂网格现象
5.构造出最初的最大尺寸单元网格来包围整个模型
6.节点调整以匹配几何模型形状
7.剔除材料外的单元
8.进一步细分单元以满足规定的网格尺寸要求
9.通过节点的合并、移动、交换和删除进行网格平滑
Family设置,MaterialPoints,预先规定Points
在ICEMCFD中可以对几何模型中的各种几何元素进行分组，形成不通的families。
这样允许用户对不通的families进行不同的参数设置。
除了对不通families设置边界条件，用户还可以对每个family定义控制网格尺寸的参数：
maximumlength,initialheight,andheightratio。
此外还可以对单独的曲线和表面定义网格尺寸参数。
这样通过预先规定的网格尺寸参数，用户可以控制四面体节点和关键区域的边的位置。
如上面的八叉树算法已经描述的，当网格划分器调整网格节点以匹配几何模型外形时，它首先匹配预先规定点和曲线。
在单元剔除步骤，Tetra要求在每个需要进行分析的不同材料内定义一个materialpoint。
对于CFD，materialpoint可以来定义流体区域；对于结构有限元分析，可以来定义固体区域；或者对于耦合传热问题，用来定义两种区域。
ICEMCFDTetra重要特性
NaturalSize
如果对一个family定义的最大四面体尺寸比某个成员几何元素大，用户必须使用naturalsize限制。
Theusercanspecifyanaturalsize
thatisproportionaltothereferencetetrasize;itshouldbeassigned
avaluethatisslightlysmallerthanthesmallestgapinthemodel,
sothatthemesherwillfurthersubdividethetetrahedratomatch
thisgeometricfeature.
Thenaturalsizelimit将是整个网格中的最小尺寸。
OnlyiftheuserdefinesasmallermaxsizeonageometryentitywillTetracontinuetosubdivideuntilmeeting
themaximumsizerequest.Theeffectofthenaturalsizelimitisa
geometry-basedadaptationofthemesh.
TetrahedralMeshSmoother
thetetrahedralsmoother计算每个单元的质量。
然后根据用户指定的质量要求进行平滑。
Smoother修改所有不符合标准的单元——节点被移动、合并，边被交换，或者单元被删除。
如此重复直到满足要求或者达到一定的迭代次数。
有时候用户不愿对某个family进行网格平滑，ICEMCFDTetra提供fix_families功能来指定某个family保持不变。
此外，另外一个相似的功能fix_prisms，用来排除棱拄单元的平滑。
TetrahedralMeshCoarsener
Coarsening和smoother的过程相似。
此外也可以采用fix_families来排除某个family的coarsen操作。
如果coarsen操作中，size_check选项打开，得到的网格在所有几何元素上会满足预设的尺寸标准。
而且Tetra包含了完全的投影projection和smoothing工具tools，以及单元创建、删除、分裂、交换和uniformenforcementoforientation.
Triangular
SurfaceMesh
Smoother
Intheinterestofminimizinggridpoints,thecoarsenerreducesthe
numberoftrianglesinameshbymergingtriangles.Thisoperation
isbasedonthemaximumdeviationoftheresultanttrianglecenter
fromthesurface,theaspectratioofthemergedtriangle,andthe
maximumsizeofthemergedtriangle.
Triangular
SurfaceEditing
Tools
ICEMCFDTetra提供交互式网格编辑功能，可以实现节点在几何模型表面的移动、合并或者删除。
三角形单元可以被单独的分割和标记以不同的名称，并进行质量检查以进行评价。
表面网格诊断工具允许用户快速填充表面网格中的“洞”，查找重叠的三角形和non-manifold顶点以及detectionofsingle/multipleedgeandduplicateelements.
PrismLayerOffset
对于支持非结构四面体和棱拄混合网格的求解器来说，ICEMCFDTetra的一个独特功能Prisms能够在壁面附近产生偏移的棱拄层网格。
MeshPeriodicity
采用周期性网格ICEMCFDTetra网格能够很好的适应叶轮机问题的分析。
第三章四面体网格划分示范1：
三维管道回合
这个示范中，我们将对如图的三位管道回合段进行四面体网格划分。
figure3.1.1
本示范介绍的操作有：
Geometry
•设置网格参数Meshparams>Model和Meshparams>Families.
Meshingmenu
•自动网格生成和平滑Tetra>BatchfromCAD
Editmeshmenu
•检查网格质量Diagnostics.
打开工程
打开File>Open，选择Selectproject，选择3DpipeJunctproject，再选择tetin1。
如果出现一个提示窗口要求加载一个domain，则选择Cancel来开始一个新的模型。
生成四面体网格
定义family
1如果families还未定义，那么首先需要对几何模型的不同区域分类以创建family。
最初整个几何模型被设置为一个family，名称为GEOM。
我们将按照figure3.1.1所示来修改family设置。
表面family有INL,OUT,CYL1,
CYL2,andSYM。
2选择Geometry>Surface>Changefamily.来修改family设置
3用鼠标左键选择某个表面，用鼠标中键确认选择，然后会出现一个family设置窗口。
或者为所选择的面选择一个已经存在的family，或者在Newfamily中输入一个新的名称来为这个（些）面创建一个family
4一旦所有的surface被设置重新命名，采用相似的操作继续对Curves,Points,和Materials进行设置。
5在Geometry>Curve>Changefamily几何模型中所有的曲线将被设置为CUR。
用户可以按住鼠标左键拖动进行box-select。
6所有的点放在PTSfamily中。
注意将光标放在主窗口中，按"v"键，则可以选择所有点元素。
定义Material点
1模型的material将被设置为LIVEfamily。
它处于圆柱的内部。
2选择Geometry>Material>Create>Screenmidpoint.
3在Selectfamily窗口中,输入LIVE作为Newfamily名称，按Accept接受
4用鼠标左键在圆柱上选择两个相对的顶点，然后按鼠标中键确认。
LIVE应该在几何模型的内部。
旋转模型以确认它确实在体积内部。
5要删除空的families，在Display菜单中选择Families>Edit，点击Deleteunused。
这样列表中的无用family会自动清除。
按Accept关闭这个窗口。
设置网格参数
1要确认Surfaces和Curves都已经被toggledon,在display窗口的分别按Surfaces和Curves的Opts>Tetrasizes，四面体形状的图标就会显示在几何模型上。
2这时用户可以用Meshparams>Model来修改整个模型的网格尺寸（右图）。
将Referencesize设置为5，Referencesize是一个被乘数，其他所有的family、曲面和曲线的网格尺寸都以它为参考，乘以各自的设定的size
不同Referencesize的效果
3注意改变Referencesize并按Apply会改变几何模型上的四面体图标的尺寸。
4要改变某个指定family的网格尺寸，选择Surface>Meshparams>Families。
用户就可以从Selectfamily窗口中选择family（如图）。
本示范中选择CYL2然后按Accept。
CYL2对应的表面就会以加亮显示。
5在Surfacefamilymeshparams窗口中（如图），对Size指定为0.5，其他参数为0，因为Tetra生成网格时不用这些参数，只有Hexa用。
选择Showsizeparamsusingrefsize会使得按下Apply后参数调整可见。
选择Dismiss关闭窗口。
6当对网格尺寸设置满意后，按File>Save来存储。
RunningtheTetraMesh
1.选择Meshing>Tetra>fromCAD/SurfaceMesh来生成四面体网格。
Tetraparameters窗口将会出现（如右图）;
2.按照图中设置后，按Mesh进行网格划分。
MessageWindow将会报告网格划分过程信息。
译者注：
这个步骤和PDF文档中所述不相同，原文中的菜单和Tetraparameters窗口与4.2版不太一样。
原文和原图如下：
ChooseMeshing>Tetra>BatchfromCADtogeneratethetetrahedralmesh.TheTetra>InteractivefromCADmodeindicatesthatTetrawillnotautomaticallysavethevolumemesh（Writevolume）orsurfacemesh（Writesurface）.TheTetraparameterswindowwillappear（refertoFigure3.1.4）:
最后显示的网格为：
SavingtheMesh
用File>Save>Domainfile存盘
第五章SphereCube
本示范之后，读者将会掌握采用Smoother来提高网格质量。
一个半球体，内含一个立方体空腔。
图中以标明表面的family名称。
1．
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