三管相贯模型的建立.doc

3 三管相贯模型的建立本章采用“基元”进行建模，这就是说，预先定义GAMBIT建模的基元和过程。GAMBIT包括两种类型的基元：l 几何结构l 网格几何结构基元是指标准形状的几何体，如方体、柱体和球体；网格基元是指基本的网格划分格局。在本章中，将运用几何基元创建一个三管相贯模型，进而介绍如何将此几何体分解为四部分并生成边界层，最后，运用网格基元对此三管相贯体进行网格划分。通过对本章的学习，将学到：l 怎样通过定义维数创建几何体l 怎样分割几何体l 怎样使用GAMBIT日志文件l 怎样给几何体加边界层l 怎样将网格读入到POLYFLOW3.1 前提学习本章之前已经学习过第一章，并且熟悉GAMBIT界面。3.2 问题描述本章考虑的问题如图3-1所示。该几何体是由三根相贯的管子组成，每根管子的直径为6，长度为4。三根管子相互正交。此几何体可以由三根相贯的圆柱体和一个位于相交角处的八分之一球体组成。图3-1：问题说明图3.3 策略在本章中，首先将迅速生成三管相贯的基本几何体。该几何体可以用四面体自动进行网格划分。但是，本章的目标是为POLYFLOW生成等角的六面体网格。这就要求在网格化之前对几何体进行分解。因此，本章给出了把一个复杂几何体分解成可网格化几何体的一些典型步骤（过程）。首先，用一个方体对三管相贯体的一部分进行分割，产生的几何体就是一个八分之一球体，位于三管相贯的角落，如图3-2所示。这个形体，形状上与一个四面体非常近似，因此，可以用GAMBIT中的Tet Primitive方法进行网格划分。注意，这生成的是四面体拓扑的六面体网格，不是四面体网格。图3-2：三管相贯体的分解然后，剩下的几何体将被分割成三部分，每一根管子为一部分，如图3-1所示。为了做到这一点，先必须创建一条边和三个面。这三个几何体都将采用GAMBIT中的Cooper方法来进行网格划分（GAMBIT建模向导中将详细介绍）。本章将介绍三种不同的方法来确定Cooper方法所要求的源面。本章还介绍了两个有用的主题：日志文件的使用和边界层的网格化。日志文件是所有输入到GAMBIT中的命令的记录。此文件可以进行编辑，并且，输入的命令可以转变成允许几何体快速生成和网格化的参数（如，改变主维）。GAMBIT中的边界层网格化工具可以控制在壁面和其他边界附近怎样进行网格的细化。3.4 步骤启动GAMBIT。第一步 选择解算器1. 选择将用来运行CFD计算的解算器，方法是在主菜单栏中选择：SolverPOLYFLOW解算器的选择就是各种形式的解算器中指定一种（例如，边界类型可以在Specify Boundary Types形式中获得）。目前选择的解算器在GAMBIT GUI的顶部有显示。第二步 创建几何体1. 创建三管相贯几何体GeometryVolumeCreate Volume （Cylinder）这就打开Create Real Cylinder对话框。a) 创建第一根管子 在对话框的Height文本框中输入值10 在Radius1的文本框中输入值3Radius2的文本框可以不输值，GAMBIT将缺省地把它的值设为Radius1的值。 在Axis Location右边列表中选择Positive Z（缺省值） 点击Apply按钮。b) 创建第二根管子。第、步和上面一样，在Axis Location右边列表中选择Positive Xc) 创建第三根管子。同样地，只是在Axis Location右边列表中选择Positive Y。2. 点击Global Control工具箱中的Fit to Window命令按钮，观察三个柱体。可以通过按下鼠标左键并移动鼠标来转动视图，柱体视图如图3-3所示。图3-3：三管相贯体的三个柱体3. 创建一个球体，完成基本几何体的创建。GeometryVolumeCreate Volume （Sphere）打开Create Real Sphere对话框。a) 在Radius文本框中输入值3b) 点击Apply按钮4. 整合四个形体为一个几何体GeometryVolumeBoolean Operations打开Unite Real Volumes对话框a） 在图形窗口中用Shift-Left-Click选中所有几何体，再点击Apply按钮所有的形体被整合成一个几何体。最后的几何体如图3-4所示。图3-4：完整的几何体第三步 分解几何体采用Tgrid方法对几何体进行自动网格化是可能的。但是，用等角六面体对此几何体进行自动网格化则是不可能的。为了生成等角六面体网格，必须把这个几何体分解成几部分，然后对每一部分进行六面体网格划分。在这个例子中，将用一个方体来分割这个三管相贯体，在三管相贯处形成一个八分之一球体，然后，再在几何体内创建一条边，用这条边创建三个面，最后用这三个面把三管相贯体分割成三根管子。1. 创建一个方体GeometryVolumeCreate Volume （Brick）打开Create Real Brick对话框。a) 在对话框的Width文本框中输入值5如果没有再输入值，GAMBIT将把Depth和Height的值均设为5。b) 在Direction的列表中选择-X-Y-Zc) 点击Apply按钮生成的视图如图3-5所示。图3-5：三管几何体和方体2. 分割几何体，在三管相贯处形成一个八分之一球体如果用一个几何体来分割另一个几何体，将产生如下的几何体：l 在相贯处产生与公共部位相对应的几何体l 产生与从第一个几何体减去第二个几何体的部位相对应的几何体换句话讲，分割一个几何体将产生一个相贯处与相减布尔操作的组合。选择几何体的顺序是很重要的。例如，在图3-6中，展示用几何体B分割几何体A以及相反操作的差别。图3-6：几何体的分割GeometryVolumeSplit/Merge Volumes打开Split Volume对话框a） 在图形窗口中选择三管相贯体b） 鼠标左击对话框中Split With右边的列表框，接受对三管相贯体的选择，并使Split With列表框激活c） 选择方体，并点击Apply按钮GAMBIT将用方体来分割三管相贯体，产生两个几何体：三管体（Volume.2）和八分之一球体（Volume.3）。3. 在三管相贯体中创建一条直边GeometryLineCreate Edge打开Create Straight Edge对话框。a) 鼠标左击原点（Gx，Gy，Gz）b) 选择三个柱体共享的顶点（xyz）c) 点击Apply按钮，接受顶点的选择，并在它们之间生成一条边该边在图3-7中黄色显示。图3-7：几何体内创建的直边4. 在三管相贯体中创建面GeometryFaceForm Face打开Create Face Form对话框。a) 用前面创建的边在相贯体内创建面 选择前面创建的边 在其中一个柱体表面上选择与该边相连的一个曲边 选择一条边使回路封闭选择的三条边如图3-8所示。图3-8：创建面的三条边 点击Apply按钮，接受选择并创建一个面前面创建的边变成蓝色。b) 通过选择蓝色边，与蓝边相连的另一条曲边以及封闭回路的边来创建第二个面c) 通过选择蓝色边，与蓝边相连的第三条曲边以及封闭回路的边来创建第三个面三个面如图3-9所示。从图形窗口显示中除去相贯体，就可以清楚看到创建的三个面。相贯体其实并没有被删除，只是从图形窗口中除去。要从窗口中除去相贯体，点击Global Control工具箱中的Specify Model Display Attributes命令按钮，选择弹出对话框中Volumes左边的复选框，选中Visible左边的复选框，再选择Visible右边选项菜单中的Off，然后点击Apply按钮。当考察完三个面之后，再使相贯体恢复可见。图3-9：三管相贯体内创建的三个面5. 用上面创建的三个面分割三管相贯体GeometryVolumeSplit/Merge Volumes打开Split Volume对话框。a) 在图形窗口中选择三管相贯体b) 在Split With下面的列表中选择Facec) 选中前面创建的三个面中的一个如果想撤销选中的面并选择另一个面，用Shift-Middle-Click要选择的面d) 点击Apply按钮，接受选择并分割相贯体GAMBIT将用三个面（相互关连的）来把三管相贯体分割成三个小的几何体（分别代表三根管子）。这三个几何体都与公共几何体相连。分解后的几何体如图3-10所示。现在，就可以进行网格划分了。图3-10：分解后的几何体第四步 日志文件注意，这一步在本章中不是必要的部分，只是用来说明在GAMBIT中如何使用日志文件提供的信息。在GAMBIT中，每次执行GUI操作，相应的命令都会自动写入日志文件。因此，这个日志文件就提供了一个当前任务的所有命令的一个备份。日志文件可以用来重新生成前面任务创建的几何体和网格。在GAMBIT里，使用者可以阅读、运行并编辑日志文件。关于日志文件的更多信息，参阅GAMBIT用户向导。1. 查看当前GAMBIT任务的日志文件FileRunJournal打开Run Journal对话框a) 在对话框中选择Edit/Run选项b) 点击Current Journal按钮在File Name文本框中将出现当前的日志文件c) 点击Apply按钮这就打开了Edit/Run Journal窗体，从中可以看到当前任务的日志文件，它把每一步都显示出来了。2. 编辑当前日志文件a） 在第一行末单击鼠标左键，然后按下Enter键GAMBIT将形成新的一行，在这里可以输入命令b） 在新行中输入命令Reset！如果没有执行Reset命令就运行日志文件，GAMBIT将在原几何体上生成一个新的几何体。3. 将日志文件另存为一个新的文件a） 删除日志文件显示窗体底部File Name文本框中的内容“GAMBIT.#/jou”，#是当前GAMBIT任务的名称，在上面的窗体中，#是20668b） 在File Name文本框中重新将日志文件命名为3Pipe.geoc） 点击Apply按钮文件将被保存到当前工作目录下。把日志文件存为另一个名称，必须确保它不会被覆盖或附加。4. 重新执行当前任务的所有步骤a） 在文本编辑区域内按下鼠标右键（当鼠标光标位于文本编辑区域内时，文件名将在Description窗口中显现），弹出一个菜单，选择Select All选项，在Edit/Run Journal窗口中的Line Execution Column被黑色加亮，这表明一行被选中。注意，现在所有行均被选中，用户可以通过在行左边的箭头上左击鼠标按钮来选择/删除单行。b） 反复单击Edit/Run Journal窗体底部的Step按钮，直到一个圆柱体出现在图形窗口中。注意，日志文件中GAMBIT当前位置在Edit/Run Journal窗体中的Line Execution Column上以星号标识。Step按钮允许用户一次执行日志文件的一行。每次按下Step按钮，GAMBIT将执行下面加亮的一行，同时跳过没有加亮显示的行。GAMBIT使用日志文件中的信息重新生成了在第二步中创建的第一个圆柱体。c） 继续点击Step按钮第二个圆柱体出现在图形窗口中。d） 点击Edit/Run Journal 窗口中的Auto按钮Auto按钮允许用户自动重新运行日志文件，如果按下Auto按钮，GAMBIT将自动执行所有加亮显示行，并且跳过没有加亮显示的行。GAMBIT只是使用日志文件来重新生成几何体并且分解三管相贯体。在执行过程中，日志文件的每一行都会在Transcript窗口中显示。e） 关闭Edit/Run Journal窗体第五步 关闭网格的自动光滑在这个例子中，为了防止在几何体网格化时把边界层光滑掉，关闭网格的光滑是必要的。EditDefaults打开Edit Defaults对话框1. 在对话框上方选择Mesh这将显示可以设置为缺省的网格类型2. 选择Face单选按钮GAMBIT在Edit Defaults窗体中显示出缺省设置的变量3. 在变量列表中选择Auto-SmoothAuto-Smooth将出现在列表底部的一个文本框中，其缺省值将出现在Value文本框中4. 在Value文本框中输入值05. 点击Modify按钮列表中变量Auto-Smooth的值就被更新了。第六步 在壁面应用边界层边界层是从边界到内部生成的层。它们用来在一个面或者一条边的法线方向上局部细化网格。单个边界层可以附着在几对面/边或者体/面上。边界层的方向用指向激活面或体的中心的箭头来表示。1. 生成八分之一球体与管子相交的边的边界层MeshBoundary LayerCreate Boundary Layer打开Create Boundary Layer对话框a） 在Definition下面的First Row文本框中输入0.1这定义了单元的第一行法线方向上的高度b） 在Grouth Factor文本框中输入值1.4这设置了单元续行之间的距离比c） 移动Rows下面的滑块直到Rows4这定义了单元行的总数。注意，GAMBIT自动更新Depth，Depth是指边界层的总高度d） 保持Transition Pattern的缺省设置（11）e） 选择八分之一球体与管子相交的三条曲边之一（如图3-11）边界层将在边上显示出来。f） 检查指示边界层方向的箭头是否指向原点（Gx，Gy，Gz），如果没有，按下Shift键，鼠标中击该边，直到箭头指向正确方向。g） 选择球体与管子相交的第二条曲边，并确保边上的箭头指向原点h） 对第三条曲边重复上面的方法边界层在边上的显示如图3-11i） 点击Apply按钮，使得边界层应用于边上。图3-11：八分之一球体三边上的边界层2. 重复上面的步骤，在三管相交的曲边上生成边界层，如图3-12所示，同样，边上的箭头必须指向原点。图3-12：三管相交的三条边上的边界层第七步 对八分之一球体进行网格划分1. 球体网格化MeshVolumeMesh Volumes打开Mesh Volumes对话框a） 在图形窗口中选择球体GAMBIT自动选择Scheme下的Hex Elements和Tet Primitive Type，这是因为这个几何体本身代表了一个逻辑四面体（注意，Tet Primitive方法把一个逻辑四面体分为四个逻辑六面体块，并且在每一块内生成六面体网格单元。这种方法不会生成四面体网格（参见GAMBIT建模向导）b） Spacing采用缺省设置Interval Size，点击Apply按钮八分之一球体的网格如图3-13，注意球体的三个面上的边界层。图3-13：八分之一球体的网格2. 在进行三管网格化之前除去已生成网格的显示这样就容易看清几何体的边和面。网格并没有真正被删除，只是从图形窗口中除去。a) 点击Global Control工具箱中的Specify Model Display Attributes命令按钮b) 在Mesh右边的选项菜单中选择Offc) 点击Apply按钮，并关闭对话框图形窗口中边界层仍然可见。第八步 柱体的网格化现在，开始对三根管子进行网格划分，本例子采用GAMBIT的Cooper方法对三根管子进行网格化（详细的描述参见GAMBIT建模向导）。三种不同的方法被用来确定Cooper方法所要求的源面（源面是指从该面开始对几何体进行扫描形成几何体单元的表面）。在第一个小例子中，采用改变一根管子壁面的顶点类型的方法，这是确保正确网格化的最安全的方法；在第二个小例子中，采用Submap方法对管子壁面进行网格化；在第三个小例子中，采用Cooper网格化方法对几何体进行网格化，并采用手选源面的方法来确定源面。1. 通过改变壁面顶点类型为Side，对一根管子的壁面进行网格化，然后采用Cooper方法对该柱体进行网格化通过改变管子壁面的顶点类型为Side，可以使GAMBIT在壁面上运用Submap方法，这样，Cooper网格化方法的规范就可以在管子上实现，进而实现对该管体的网格化。a) 改变壁面顶点类型为SideMeshFaceSet Face Vertex Types打开Set Face Vertex Type对话框。 在对话框中的Type下选择Side（缺省值） 在图形窗口中选择一根管子的壁面，如图3-14所示。注意，壁面上标为“E”的顶点（代表三根管子的交点）图3-14：第一根管子壁面上的End顶点 鼠标左击Vertices列表框 在图形窗口中选择标有“E”的顶点（三管交点，如图3-14所示） 点击Apply按钮该顶点最后变为“S”，代表Side，如果重新选择面，将只会看到顶点标签。同时一条消息出现在Transcript窗口中，说明顶点被设置成了Sideb) 用Cooper网格化方法对管体进行网格化MeshVolumeMesh Volumes打开Mesh Volumes对话框。 在图形窗口中选择第一个管体注意，在对话框中Scheme下自动选择了Hex Elements和Cooper Type，这是因为壁面顶点已经变为Side。因为壁面顶点类型改变为Side，GAMBIT将自动选择源面。 保留Interval Size缺省设置1，点击Apply按钮该管子便被网格化，如图3-15所示。图3-15：通过改变管子壁面顶点为Side并运用Cooper网格化方法进行的网格化结果！这时最好除去网格显示，这样容易看清另外两根管子的各面。网格并不是真的被删除，只是从图形窗口中除去，为了除去网格显示，点击Specify Model Display Attributes命令，选择Mesh右边的选项菜单中的Off，再点击Apply按钮即可。2. 采用Submap方法对第二根管子壁面进行网格划分，采用Cooper网格化方法对管体进行网格化通过对管子壁面执行Submap方法，GAMBIT将自动改变面上的顶点类型去迎合Submap方法，然后，Cooper网格化方法的规范就可以在该管体上实现，从而可以用Cooper方法对其进行网格划分。a) 设置壁面的网格化方法为SubmapMeshFaceMesh Faces打开Mesh Faces对话框。 在图形窗口中选择第二根管子的壁面（如图3-16所示）图3-16：第二个管体的壁面 在对话框中Scheme下面的Elements选项菜单中选择Quad，在Type下面选择Submap关于Submap方法的更多信息，参阅GAMBIT建模向导。 保留Interval Size的缺省设置1 撤销Option下面对Mesh的复选不选中Mesh复选框是因为这时不想对面进行网格划分，只是想在该面上应用这种网格化方法。GAMBIT将在网格化管体时采用具体的方法对该面进行网格化。 点击Apply按钮b) 用Cooper网格化方法对管体进行网格划分MeshVolumeMesh Volumes打开Mesh Volumes对话框。 在图形窗口中选中管体注意，在对话框中的Scheme下自动选择了Hex Elements和Cooper Type，这是因为对该管壁面采用了Submap方法由于对管壁面采用了Submap方法，GAMBIT将自动选择源面。 保留Interval Size的缺省值1，点击Apply按钮。网格化后的管子如图3-17所示。图3-17：运用Submap方法对管子壁面的网格化以及对管体的网格化！此时最好是除去网格显示，以便于看清最后一根管子的各面。3. 通过手选源面，用Cooper网格化工具对最后一根管子进行网格划分a) 在图形窗口中选中第三根管子注意，在Mesh Volumes对话框中，GAMBIT在Scheme下选中的是Undetermined Elements。对这根管子，没有实行Cooper方法的规范，这是因为GAMBIT不能采用Map或Submap网格化方法对管体壁面进行网格化。然而，可以通过选择Cooper方法和手选源面（源面是指从该面开始对几何体进行扫描形成几何体单元的表面）的方法来强制GAMBIT对此管体进行Cooper网格划分。当按下Apply按钮后，GAMBIT会对壁面自动执行Submap方法，以及改变顶点类型去迎合所选的方法。关于使用Cooper网格化方法的更多信息，参见GAMBIT建模向导。b) 在对话框中的Scheme下的Elements选项菜单中选择Hex，Type下选择Cooperc) 鼠标左击Sources列表框，然后，在图形窗口中选择除该管管壁外的所有面作为网格划分的源面，这些面如图3-18所示的A、B、C、D！Shift-Middle-Click一个面来撤销对该面的选择，再选择另外的面，也可以点击Reset按钮来撤销对所有面和体的选择，重新设置所有的参数。选中的四个面在管子的两端，如图3-18所示。这可以在图形窗口中进行选择，也可以在Sources的列表中进行选择。图3-18：运用Cooper网格化方法网格划分管体的源面d) 保留Interval Size的缺省设置1，点击Apply按钮4. 显示三管相贯体所有面的网格这里只显示面网格，因为如果显示出体网格将会产生一个混乱的视图。a) 点击Global Control工具箱中的Specify Model Display Attributes命令按钮b) 选中Faces左边的复选框c) 在Mesh右边的选项菜单中选择Ond) 点击Apply按钮，并关闭该对话框三管相贯体的面网格如图3-19所示。图3-19：三管相贯体的面网格第九步 检查网格的品质1. 在Global Control工具箱中点击Examine Mesh命令按钮打开Examine Mesh对话框。a) 在对话框中的Display Type下选中Sphere这就生成一个球形网格截面，对于三管相贯体，球形截面要比平面截面显示出更多的有用信息。在对话框中的3-D element类型是缺省设置的，选中其后面的方体。b) 从Quality Type选项菜单中选择EquiAngle Skewc) 在Cut Orientation下选择“+”选项“+”选项表明只有剖面正向上的单元被显示。对于一个球体来说，这就意味着只有球体内部的单元可见；“0”选项显示剖面上的单元；“-”选项显示剖面负向上的单元（即球体外部的单元）。d) 在Global Control工具箱中点击Select Preset Configuration命令按钮这把图形窗口分成四部分，在每一部分中显示网格球形截面的不同视图。e) 鼠标拖动对话框中的X滑块，直到球形剖面在X方向上居中为止f) 同样地，移动Y和Z滑块使得球形剖面在Y和Z方向上居中视图显示如图3-20所示。图3-20：x, y和z方向上的球形剖面g) 移动R滑块来观察不同球形剖面上的网格h) 在图形窗口中的Sash锚上按下鼠标左键（该锚是指位于图形窗口中心的一个灰色小块），对角地拖动该锚到图形窗口的右下角这样就剩下一个单窗口。i) 关闭Examine Mesh对话框网格的球形截面即被除去，面网格也被储存起来。第十步 设置边界类型1. 设置边界类型之前，除去网格和边界层显示这样容易看清几何体的各边和各面。网格和边界层并没有被删除，只是从图形窗口中除去。a) 在Global Control工具箱中点击Specify Model Di