1009CFD基础和网格计算I

1、1009 CFD 基础和网格计算 I0、计算流体力学（CFD）基础计算流体动力学（ Computational Fluid Dynamics, CFD ）是近代流体力学、数值数学和计 算机科学相结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。CFD方法是对流场的控制方程用计算数学的方法将其离散到一系列网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制所有流体流动的基本定律是： 质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定律。 由它们分别导出连续 性方程、动量方程（N-S方程）和能量方程。应用 CFD方法进行平台内部空气流场模拟计算 时，首先需要选择或者建立过程的基本方程和理论模型， 依据的基本原理是流体力学、

2、 热力 学、传热传质等平衡或守恒定律。由基本原理出发可以建立质量、动量、能量、湍流特性等 守恒方程组，如连续性方程、扩散方程等。这些方程构成非线性偏微分方程组，不能用经典 的解析法，只能用数值方法求解。求解上述方程必须首先给定模型的几何形状和尺寸， 确定计算区域并给出恰当的进出口、 壁面以及自由面的边界条件。 而且还需要适宜的数学模型及包括相应的初值在内的过程方程 的完整数学描述。求解的数值方法主要有有限差分法（FDM）、有限元法（FEM）以及有限分析法（FAM），应用这些方法可以将计算域离散为一系列的网格并建立离散方程组，离散方程的求解是由一组给定的猜测值出发迭代推进， 直至满足收敛标准。

3、常用的迭代方法有 Gauss-Seidel 迭代法、 TDMA方法、SIP法及LSORC法等。利用上述差分方程及求解方法即可以编写计算程序或选 用现有的软件实施过程的 CFD模拟。1、CFD求解力学问题的过程2、网格计算网格，即在计算区域内一些列离散的点。计算流体力学通过将控制方程离散，使用数值方法得到网格节点上的数据（如速度、温度、压力等），即数值解。控制方程的离散方法主要由有限控制体积法、有限差分方法和有限元方法。网格主要分为结构化网格和非结构化网格。结构化网格，可以用一个固定的法则予以命名，非结构化网格的节点位置不能用一个固定的法则予以有序的命名。对于复杂的工程问题而言，结构化网格生成工

4、程人员工作量较大，但是计算机生成网格计算量小，能够较好地控制网格生成质量，同时保证保证边界层网格，计算更容易达到收敛。非结构化网格对模型的自适应性好，工程人员工作量小，但是计算量大，对计算机要求较高，网格质量不好控制，边界层网格不好保证。本文讨论的网格划分使用工具是ANSYS ICEM CF。十算流程为创建几何模型宀定义网格参数t生成网格t导出网格t喷管数值计算及后处理。ANSYS ICEM CF的结构化网格生成方法是代数生成方法。注：因本阶段学习重点在于网格的划分，而Flue nt的后处理工作只为了验证网格的质量，目前只做实例计算结果而不做详细讨论。NoteO : ANSYS常见文件类型小结

5、如表 1所示。文件类型扩展名说明Tetin.tin包括几何实体、材料点、块关联以及网格尺寸等信息Un struct Mesh.uns网格文件Block ing.blk包含块的拓扑信息Mesh.msh求解器为Fluent V6下导出的网格文件Project.prj工程文件，包含有项目信息Boun daryCon diti ons.fbc包含边界条件Attributes.atr包含属性、局部参数以及单元信息Parameters.par包含有模型参数及单元类型信息Journal.jrf包含有所有操作的记录Replay.rpl包含有重播脚本表1 ANSYS常见文件类型小结2.1非结构网格结构化网格不能

6、解决任意形状和任意联通区域的网络划分，针对这一问题，20世纪60年代提出了非结构化网格手段。非结构化网格对几何模型的适应性好，可以对复杂区域划分网络。非结构化网格生成技术可以根据应用领域不同分为应用于差分方法的网格生成技术（Grid Generation Technology）和应用于有限元方法中的网格生成技术（ Mesh Generation Tech no logy）。这里只讨论壳网格的基本流程和示例。基本流程为：1）定义壳网格全局参数，包括网格类型、网格生成方法及相关选项。2）定义Part的网格尺寸，可以分别定义Part中的网格尺寸。因此合理地定义Part是非常重要的。3）定义面的网格尺

7、寸。4）定义线的网格尺寸。5）生成线网格，通常此步可以省略。6）生成壳网格。【练习1】：考虑收缩 扩张喷管内的流动计算。喷管外形如图所示，A为沿轴截面面积，喷管的外形尺寸满足如下条件(单位： m)：A 0.1 x2,-0.5e+0JI HUF+ l-i3 2(k +0iI 50t.0 JJ 一IL E 十:一,Paihliintsby PaitiQle IDSep JS JO 16AM Fluent H.5pbcis)图4流线图NoteO:不管画结构网格还是非结构网格，第一步都是需要设定工作目录，选择文件存储路径。File Cha nge Worki ng Dir。Notel:在二维问题中，S

8、urface是必需的，二维问题中的Surface提供了网格数据的一个指针，如果这个指针不存在，求解器就不能读取其他网格节点的数据。在三维问题中，Surface的存在必须保证模型的封闭，即无孔、裂缝等，否则不能成功生成网格。同时在使用多块方法生成结构化网格过程中，合理创建Face到Surface的映射可以显著减少工作量。另，在通过Curve创建Surface时，必须按照一定的方向依次选择Curve，否则创建的Surface会失败。Note2:几何模型创建好之后，需要对 Part进行定义。ICEM中定义Part的名称将会是导出 网格后边界的名称，可以简化在求解器中定义边界条件的过程。同时在非结构化

9、网格生成过程中，合理定义 Part还便于定义网格尺寸。Part中的元素可以是 Point、Curve、Surface,也可以是Block或网格。但任意一个元素，如一条 Curve，只能存在于一个 Part,不能同时存 在于两个不同的 Part。另，Part名自动将其改写为大写。Note3:全局网格。定义全局网格参数，主要是定义网格的全局尺寸，影响壳/面网格、体网格、棱柱边界层网格的大小。Scale factor是一个控制全局网格尺寸的系数，该系数必须是正值。Max element的值与Scale factor值相乘所得的结果即为全局允许存在的最大网格尺寸。 最大网格尺寸应该小于待划分网格区域尺

10、寸。Note4:全局壳网格。对于壳/面网格，只有 Patch Dependent方法才能生成边界层网格。Note5 : Part网格。在不同的 Part上定义不同的网格尺寸。对计算结果影响较大的区域定 义较小的网格尺寸，对计算结果影响较小的区域可以定义较大的网格尺寸。ICEM默认生成三维边界层网格，因此定义二维边界层网格生成参数时应先勾选Apply in flation parameters to curves复选框。Note6:生成网格。Meshf Compute Mesh 宀计算壳网格Compute，生成网格。File Mesh t Save Mesh As,保存网格。选择求解器。导出用于

11、FLUENT计算的网格文件。Note7:调整非结构网格质量。 注意边线的方向，Spacing1指的是边线出发的方向，Spacing2 是边线结束的方向。在网格质量柱状图中，横轴表示网格质量，ICEM中正常网格质量在 01 之间，值越大表明网格质量越好，值越小表明网格质量越差， 不允许质量为负值的网格存在。纵轴为相应网格质量区间内对应的网格单元数。【练习2】：三维壳网格生成。简化的飞机模型，生成机身和外场边界的壳网格。图5飞机模型壳网格Note1:机翼的前缘和尾缘定义AutoBlock的网格生成方法有利于前缘处生成高质量网络加密区，且可以保证在尾缘处成功生成网格。Note2:全局网格t壳网格t

12、Part网格t机翼前缘和后缘面网格t定义部分线网格。2.2结构网格结构化网格生成：代数生成方法&偏微分方程生成方法。代数生成方法计算量小，偏微分方程方法计算量较大，偏微分方法，尤其是Thomas&Middlecof方法生成的网格光滑，正交性好。网格的生成过程就是计算平面到几何平面的坐标映射过程。ICEM中生成结构网格的方法是基于多块理论的，因此网格生成过程大致分为以下步骤：1) 创建整体Block。2) 分析几何模型，得到基本的分块思想，并划分 Block。3) 修改 Block。4) 删除多余的Block。5) 根据具体问题对 Block进行一定的操作，如镜像、平移等，得到可以表现几何模型

13、结构的块。6) 建立映射关系，根据需要移动Vertex。7) 定义Edge上的节点分布。8) 生成网格。9) 检查网格质量，光顺网格。10）导出网格计算。2.2.1二维结构网格【练习1】：以3部分【练习1】中提到的收缩 扩张喷管内的流动计算为例，进行结构网格 划分并讨论。ANSYSR14.5MeshSea 30, 2016AMS Fluent 14.5 |2d, pbns. Ism)图6结构网格S畑垃559e+O25 3闪+龙5 (J1+0CZ442e+02 A-ijfr+as3 m 歼 rc3 SW3間022丘诬2 6fe+a?2 3丁022盹谧1708+021,4+oe1WH329 QDe

14、+016血513 15*01comour oE veiociiy Magnnude tir/s】图7速度幅值ANSYSRK5Sep 3d. 2016AhtSYS FtLm 14.5 Kt pen：3 Z022fiDo+0(22旳弓+022.71+022 635*022 52r+Q22二奘+血2険畑2咖畑4吨2 D5&+0Q1 959+0(21 8 帥+QE1708021 e7fl+oe1.55e+021.4 圉+021.398+021 200*0121.20e*0i21.1&+02ANSYSKIMComour oEStalic Tenperaljr&(K)Sep 3d. 2016ANSYS F

15、luent 14.5(id. p&n封图8静温等高线1 010*069跖X9 lDe+M0 129+M7 63+047 4C46夕矢* X5 盼m5 g+w5 i齢4理心4 ?Dfr+rt3 M萨O3 22t*Ofl2決+0i2 栾*041.759+0*d7担啖2 丁虫十迫ANSYSR14.5Comour oEStalic Pressure pascal)Sep 3d. 2016ANSYS FtLWHl 14.50X1. pCflE9 % 001 fiDo+011 430*011.33e+0l1 2*91I 1-iV1 044*018 SE-ujODerc6近G TWOC$.如0+LU2 $客

16、旳0I Wi9.Dfr0l0 :gR图9静压等高11ANSYSRl*5Pa：hlinfr colored uy Part de IDSep 30. 201&ANSYS FtLWHl 14.5 (BN. pBfl封图10管内流线NoteO:通过数值计算表明，生成的二维结构网格可以满足计算要求。与非结构化网格相 比，结构化网格生成速度更快，数值计算速度更高，得到的云图更加平滑。Notel:创建Block。Block是生成结构化网格的基础，是几何模型拓扑结构的表现形式，我 们通过创建Block来体现几何模型，通过建立映射关系来搭建起几何模型和Block之间的桥梁，最终生成网格。图11表示的即为几何结

17、构(Geometry )和块结构(Block)进行的拓扑关联。图11几何结构和块结构Note2:建立映射关系。建立映射关系的目的是建立起Geometry与Block之间的对应关系。在二维问题中 Edge到Curve的映射、在三维问题中Face到Surface的映射就是给定网格计算的边界条件，因此映射的合理与精准将直接影响生成网格的成败与质量。Geometry为几何模型，Surface、Curve、Point分别构成 Geometry的面、线、点；Block为几何模型对应拓 扑结构，Face Edge、Vertex分别为构成 Block的面、线和点。表2所示为Geometry与Block元素之间

18、的对应关系。GeometryBlockPoi ntVertexCurveEdgeSurfaceFace表2 Geometry与Block元素之间的对应关系Note3:后处理。定义边界条件时，Zone栏内待定义边界的名称与 ICEM模型树Model宀Part下的名称是对应的，这样，如果在ICEM中Part定义合理，就可以大量减少定义边界条件的工作量。【练习2】二维网格生成，二维绕机翼流动实例。取NACA0012标准翼型计算其在 0.8马赫数、0攻角的情况。取大气条件为：当地温度t=27 C,当地压力为 P=101325Pa=网格划分结果如图12所示。流场计算结果如图 13所示。卜三-ANSYSM

19、shCX101.2016ANSYS Fluenl 14 5 (2dP pbfl真 SA)JANSYSmu图12部分网格4 II，侦3 31523 61e+(J?3 41 a*-023 21*023 01022 sie*022亏1e+龙2 ai*+2 21e*D22旅说11 61&+QE1.408+021 2D9+0S1.00+029 -H-6 -i蠶 714 01*+Cil2 JleOoContours of Vdoclly Magntude(in/soci 01.2016ANSYS Fluenl 14.5 |2dP pbns. S-A图13速度幅值等高线Notel:创建机翼。该实例导入的是翼

20、型数据，FileImport Geometry宀Formatted Point Data ,文件格式为.txt o Formatted Point Data格式内容包括对几何模型的线型和面型的说明，以及 各个点的三维坐标的说明。Note2:创建Blocko创建整体 Blocks划分Block宀创建 OBIock删除无用的 Block。Note3:建立映射关系。Note4:定义网格节点数。Spaci ng仁0 Spaci ng2=0,表明在Edge上没有做加密处理。Note5:导出网格。Model 宀 Blocking Pre-mesh Yes 生成网格。Model 宀 Blocking Pre

21、-Mesh t Con vert to Un struct Mesh , Curre nt Coordi nate system is global，完成网格转换。 File Mesh t Save Mesh As,保存网格。选择求解器。导出用于 FLUENT计算的网格文件。【练习3】二维结构网格生成，二维引射器实例。引射器是一种利用流体传递质量和能量的装置。计算边界条件为：主流入口压力为532.6kPa，次流入口出口压力为100kPa,出口压力为120kPa。该模型是轴对称模型，因此取其一般进行建模计算。网格划分结果如图1415所示，流场计算结果如图1618所示。图14网格划分全局图15网格划分局部ANSYSR14.SANSYSR1K51 2te*Q2111.1021.03fl+029 &? 01_ . - J1 #4fl+011 2BS4-O1行防co0 D&s+QDPa：hlinfr Colo red uy Fart de IDOd 04. 2016ANSYS Fluent 14.5 (2d 3bns.图16流线图571u*O24険+竝5 14m