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技術(shù)資訊 I 利用自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能自動(dòng)生成最佳網(wǎng)格

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發(fā)表于 2024-11-22 15:28:00 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式

仿真預(yù)處理的目標(biāo)是根據(jù)分析創(chuàng)建所需的網(wǎng)格。在生成同時(shí)解析幾何和物理特征的網(wǎng)格時(shí),我們的目標(biāo)是提高計(jì)算效率;诜抡骖A(yù)期,我們可以針對(duì)流動(dòng)特征不明顯的特定網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格增強(qiáng)。在下圖中,我們?cè)谲囕v周圍添加了細(xì)化區(qū)域,因?yàn)槲覀冾A(yù)計(jì)這部分會(huì)有大量的物理特征,尤其是在尾流區(qū)域。這一過(guò)程需要運(yùn)用大量的專業(yè)領(lǐng)域知識(shí),并且非常依賴用戶輸入的數(shù)據(jù)。不過(guò),對(duì)流動(dòng)物理特性極少的區(qū)域進(jìn)行過(guò)度細(xì)化會(huì)增加計(jì)算成本和仿真時(shí)間,這是不可取的。本文將詳細(xì)介紹 Cadence Fidelity Pointwise 中的自動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化功能,該功能可管理數(shù)值誤差并遵循用戶定義的邊界,同時(shí)解析各種應(yīng)用中的所有流動(dòng)特征。


車輛周圍的網(wǎng)格細(xì)化區(qū)域

1.網(wǎng)格自適應(yīng)有哪些要求?

網(wǎng)格應(yīng)滿足以下條件:

  • 符合底層 CAD 幾何圖形
  • 細(xì)化符合局部各向異性邊界層
  • 細(xì)化較大的和細(xì)微的流動(dòng)特征

    在自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化過(guò)程中,我們希望保留邊界層和近壁面的物理特性,使單元大小平滑漸變,確保求解器正常收斂。在自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化過(guò)程中,有必要定義一個(gè)自適應(yīng)傳感器,以便描述需要額外細(xì)化的區(qū)域。在飛機(jī)外部研究中,馬赫數(shù)是一個(gè)合適的自適應(yīng)變量,而在渦輪機(jī)械應(yīng)用中,可以將速度大小用作自適應(yīng)傳感器。

    2.使用 Fidelity Pointwise 進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化

    在 Fidelity Pointwise 中創(chuàng)建基礎(chǔ)網(wǎng)格,以啟動(dòng)自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化。然后,在該網(wǎng)格上運(yùn)行解。在每個(gè)邊緣對(duì)傳感器進(jìn)行評(píng)估,如果傳感器在特定位置超過(guò)了預(yù)定閾值,就會(huì)標(biāo)記為自適應(yīng)細(xì)化。根據(jù)點(diǎn)的位置和該區(qū)域新的目標(biāo)單元大小創(chuàng)建點(diǎn)云。然后將點(diǎn)云整合到 Fidelity Pointwise 中的基礎(chǔ)網(wǎng)格中,創(chuàng)建更新后的網(wǎng)格。反復(fù)進(jìn)行這一過(guò)程,直到解達(dá)到與網(wǎng)格無(wú)關(guān)的狀態(tài)。


    Fidelity Pointwise 中的網(wǎng)格自適應(yīng)周期

    3.應(yīng)用測(cè)試用例

  • 沖擊射流



    沖擊射流的邊界條件

    在上圖中,冷射流降落到熱板上,邊界條件如圖所示。


    基準(zhǔn)網(wǎng)格(左),初始網(wǎng)格(右)

    本例的目的是比較完整結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和調(diào)整后的網(wǎng)格。在上圖中,左邊的圖片顯示的是基線基礎(chǔ)六面體網(wǎng)格,右邊的圖片顯示的是將根據(jù)速度大小進(jìn)行調(diào)整的初始非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。


    速度大小等值線(左)和自適應(yīng)邊緣縮放(右)

    右圖顯示了當(dāng)前邊緣通道所需的縮放比例。自適應(yīng)過(guò)程的重點(diǎn)是射流和板之間的區(qū)域。根據(jù)解創(chuàng)建點(diǎn)云,有 25% 的節(jié)點(diǎn)超過(guò)了閾值,因此將進(jìn)行相應(yīng)的自適應(yīng)細(xì)化。


    初始點(diǎn)云,有 25% 的節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)

    在第五個(gè)周期中,約有 70% 的節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為自適應(yīng)節(jié)點(diǎn),而在最后一個(gè)周期中,94% 的節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為自適應(yīng)節(jié)點(diǎn)。一旦約 90% 的節(jié)點(diǎn)被標(biāo)記為自適應(yīng)節(jié)點(diǎn),就可以認(rèn)為已經(jīng)收斂。此時(shí)可以結(jié)束迭代。


    第 5 個(gè)周期(左)和第 9 個(gè)周期(右)中經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化的網(wǎng)格

    檢查網(wǎng)格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),與高度細(xì)化的六邊形網(wǎng)格相比,修改后的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和元素更少。放大沖擊區(qū)域后,明顯發(fā)現(xiàn)初始網(wǎng)格并沒(méi)有準(zhǔn)確捕捉到數(shù)據(jù)。然而,網(wǎng)格在經(jīng)過(guò)每個(gè)周期后都有所改進(jìn),最終更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。


    努塞爾數(shù) (Nu) 在經(jīng)過(guò)每個(gè)自適應(yīng)周期后都更接近實(shí)驗(yàn) Nu 值

  • 軸流式渦輪機(jī)葉



    亞琛渦輪機(jī)

    本測(cè)試案例中是一臺(tái)亞琛渦輪機(jī),有 41 個(gè)葉片,轉(zhuǎn)速為 3500 RPM。入口和出口流動(dòng)條件如下表所示:

    Ptotal(入口)
    169,000 Pa
    Ttotal (入口)
    308 K
    A(入口)
    49.3°
    Poutlet
    135,000 Pa(平均)



    自適應(yīng)細(xì)化的初始網(wǎng)格(左),自適應(yīng)細(xì)化的最終網(wǎng)格 - 葉片區(qū)域的切面(右)

    這里再次使用速度大小作為自適應(yīng)變量。在經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化的網(wǎng)格中,沖擊波清晰可見(jiàn)。此外,經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化的最終網(wǎng)格準(zhǔn)確地反映了二次渦和沖擊波的存在。


    經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化的網(wǎng)格捕捉到了二次渦流

  • DrivAer 模型




    自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化也可用于汽車應(yīng)用,本例中我們使用 DrivAer 模型作為測(cè)試案例。將速度大小作為自適應(yīng)變量。DrivAer 模型的 RANS 仿真使用了 SST 兩方程湍流模型。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)的網(wǎng)格和尾流區(qū)域的流線如下所示,顯示出良好的匹配度和對(duì)渦流的準(zhǔn)確捕捉。


    DrivAer 模型經(jīng)過(guò)自適應(yīng)的網(wǎng)格

  • 外部空氣動(dòng)力學(xué)



    DLR F6 模型

    該測(cè)試案例是第二屆 AIAA 阻力預(yù)測(cè)研討會(huì)上的 DLR F6 模型。馬赫數(shù)為 0.75,迎角為 1°。這里的自適應(yīng)變量是馬赫數(shù)。通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化,機(jī)翼頂部的沖擊波清晰可見(jiàn)。初始表面壓力和經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化后的表面壓力如下圖所示。經(jīng)過(guò)每個(gè)自適應(yīng)周期后,沖擊波都會(huì)變得更加清晰。


    初始網(wǎng)格(左)和經(jīng)過(guò)自適應(yīng)細(xì)化的網(wǎng)格(右)的表面壓力

    觀察升力和阻力系數(shù)可以發(fā)現(xiàn),每經(jīng)過(guò)一個(gè)周期,細(xì)化程度都會(huì)變得更加精確。這種網(wǎng)格自適應(yīng)方法可以輕松集成到任何工作流程中。

    雖然一開(kāi)始需要花費(fèi)一些精力進(jìn)行設(shè)置,但一旦設(shè)置妥當(dāng),剩下的流程就可以自動(dòng)完成。在自適應(yīng)周期中,因?yàn)槊看味紩?huì)返回到基線基礎(chǔ)網(wǎng)格,所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將保持一致。


    適應(yīng)周期期間的升力和阻力系數(shù)

    4.高階網(wǎng)格彎曲

    高階網(wǎng)格彎曲是一項(xiàng)新興技術(shù),對(duì)于在計(jì)算流體力學(xué)(CFD)求解器領(lǐng)域中使用有限元方法(FEM)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),這項(xiàng)技術(shù)將成為他們的得力助手。與有限體積法和有限差分法等傳統(tǒng) CFD 方法相比,有限元技術(shù)能以較少的元素提高準(zhǔn)確度。這要?dú)w功于有限元方法在線性元素的邊、面和內(nèi)部引入了額外的頂點(diǎn)(新的自由度)。對(duì)于與彎曲幾何體相鄰的元素,這些新自由度必須位于幾何體上,從而改變?cè)季性元素的形狀。當(dāng)網(wǎng)格中有一組元素向粘性邊界聚類時(shí),這一過(guò)程會(huì)更加困難。內(nèi)部元素的邊和面也必須根據(jù)邊界元素的曲率進(jìn)行彎曲,以避免元素反轉(zhuǎn)。

    對(duì) Cadence Fidelity Pointwise 所使用的 WCN 平滑處理進(jìn)行研究,允許混合階網(wǎng)格求解幾何曲率。在高度彎曲的幾何體附近,元素最高可升階至四次多項(xiàng)式(四次方),而在遠(yuǎn)離彎曲幾何體的地方,元素仍然保持線性。網(wǎng)格平滑方法使用代價(jià)函數(shù)來(lái)強(qiáng)制保持所需的元素形狀和每個(gè)元素的正雅可比。當(dāng)元素在幾何體附近彎曲時(shí),粘性網(wǎng)格間距保持不變。研究顯示了復(fù)雜 3D 配置的效果。

    如果想詳細(xì)了解生成曲面混合階網(wǎng)格的方法——通過(guò) MeshLink API 來(lái)處理幾何體,偏差度量用于確定曲面和體積元素在何時(shí)需要升階,歡迎點(diǎn)擊下圖免費(fèi)獲取技術(shù)概要,同時(shí),該技術(shù)概要還介紹了在 HLPW-4 和 GMGW-3 研討會(huì)上呈現(xiàn)的兩個(gè)真實(shí)幾何體研究實(shí)例。



    點(diǎn)擊文末閱讀原文,了解混合階網(wǎng)格彎曲!

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