ANSYS系列软件网格质量评定及改进策略.ppt

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1、附录 A网格质量,概述,网格质量度量Skewness可接受比最差单元FLUENT 求解器的网格质量考虑一般考虑求解中网格质量的影响CFX 求解器的网格质量考虑网格质量影响因子CAD 问题网格分解和分布划分方法膨胀改进网格质量策略CAD 清除虚拟拓扑收缩控制理性网格尺寸和膨胀设置一般推荐作业 A.1 汽车集流管的虚拟拓扑作业 A.2 FLUENT 和CFX 网格质量度量,ANSYS 网格划分的网格度量,Mesh选项中可得到Mesh Metric，可对其进行设置和查看来评估网格质量 不同物理环境和不同求解器对网格质量有不同的要求 ANSYS 网格划分中可得到的网格度量有:单元质量纵横比雅可比扭曲因

2、子平行误差最大拐角偏斜,偏斜两种方法定义偏斜:基于等边形的体的误差:偏斜=只用于三角形和四面体三角形和四面体的默认方法基于规一化的角误差:偏斜=其中 是等角的面/单元(对三角形和四面体为60,对四边形和六面体为90)适用于所有的面和单元形状使用于棱柱和棱锥,最优(等边的)单元,实际单元,球,网格质量度量,网格质量度量,纵横比一般三角形和四边形的形貌是最长比与最短边比的函数(详细见 User Guide)对等边三角形或正方形等于1(理想的),ANSYS 网格质量统计,对表面网格(在预览表面网格生成后)和体网格(在预览膨胀层或网格生成后)已选择的网格度量，将显示 min,max,averaged和

3、standard deviation 在树状略图的Mesh对象下，使用Show Worst Elements 可突出显示最坏单元,FLUENT网格质量考虑事项,FLUENT 需要高质量的网格来避免数值发散涉及几个网格质量度量,但skewness 是主要的度量纵横比和胞格尺寸也很重要最坏情况并取决使用的求解器(基于密度或基于压力)，FLUENT 可容忍差的网格质量，而一些程序可能需要更高的网格质量，分辨和好的网格分布差质量单元的位置有助于确定它们的影响Statistics 中将得到一些总体的网格质量度量其它网格质量度量FLUENT用户图形界面菜单中 Mesh/Info/Quality下得到,或使

4、用 TUI命令mesh/quality,FLUENT网格质量要求,对Fluent最重要的网格质量度量是:SkewnessAspect RatioCell Size Change(ANSYS 网格不能执行)对所有或大多数程序:Skewness:对六面体,三角形和四边形:应小于 0.8对四面体:应小于 0.9Aspect Ratio:应小于 40,但取决于流体特性膨胀层可容忍大于 50 Cell Size Change:应在1与2之间,差网格质量可能导致不精确求解和缓慢收敛 一些程序可能要求比建议值更低的偏斜值,Skewness 和 Fluent 求解器,不推荐高 skewness 值一般保持体网

5、格最大 skewness 值 0.95。而这个值和物理分析类型和单元位置紧密相关如果体网格包含退化单元，FLUENT 会报告负的单元体积skewness网格质量度量等级:*一些情况下，基于求解器的压力可运用包含少量skewness为0.98单元的网格.,(max,avg)CSKEW=(0.912,0.291)(max,avg)CAR=(62.731,7.402),(max,avg)CSKEW=(0.801,0.287)(max,avg)CAR=(8.153,1.298),VzMIN-100ft/min VzMAX400ft/min,VzMIN-90ft/min VzMAX600ft/min,求

6、解中网格质量的影响,Large cell size change,例子,网格 2,网格 1,CFX网格质量考虑事项,CFX求解器对网格质量要求和FLUENT 求解器有点不同，由于两个编码的求解器结构的不同Fluent 求解器是单元为中心的,流体变量计算在单元的中心分配,其网格单元和求解器单元相同CFX 求解器是顶点为中心的，流体变量单元在顶点存储,求解器单元是双重网格单元。这意味着网格单元的顶点是求解器单元的中心,CFX网格质量考虑事项,CFX 求解器有3个重要的网格度量标准，每次运行和更新开始的畸形网格网格正交性纵横比扩展因子,+-+|Mesh Statistics|+-+Domain Na

7、me:Air Duct Minimum Orthogonality Angle degrees=20.4 ok Maximum Aspect Ratio=13.5 OK Maximum Mesh Expansion Factor=700.4!Domain Name:Water Pipe Minimum Orthogonality Angle degrees=32.8 ok Maximum Aspect Ratio=6.4 OK Maximum Mesh Expansion Factor=73.5!Global Mesh Quality Statistics:Minimum Orthogonal

8、ity Angle degrees=20.4 ok Maximum Aspect Ratio=13.5 OK Maximum Mesh Expansion Factor=700.4!,好的(OK),可接受的(ok),可疑的(!),正交性度量由以下组成:ip-face 法向向量,n,与 node-to-node 向量,s.,正交性椅子=ns,1/3 想要的正交角=90-acos(ns),20 想要的这不同于CFD后处理中Max/Min面角?YES!对应于边之间角的面角如果一单元在两个方向偏斜，可有一个可接受面角和一不可接受正交角,CFX网格正交性,CFX网格扩展因子,扩展因子度量相对控制体质心的

9、差节点位置,网格扩展因子 节点周围的最大单元体积和最小单元体积的比 20 是想要的在CFD后处理中，网格扩展因子本质上和单元体积比是同样的,CFX网格纵横比,纵横比度量控制体的伸长,纵横比=节点周围每个单元最大和最小ip-areas的比的最大值,100 是想要的在CFD后处理中，纵横比和边长度比很相似,CFX网格质量重要性,离散误差的来源流量逼近法中非正交性引入误差存储和源逼近法中大网格扩展引入误差 离散误差的扩大对减小非正交性误差的校正可引起非物理影响线性化方程求解难点大纵横比需要使用更多重要数字(如，双精度求解器的使用),为什么网格质量重要?,网格质量影响要素,CAD 问题小边,尖锐边和面

10、边和面间小缝隙/通道 未连接几何体,需确定CAD问题并消除,网格质量影响要素,网格分解和分布急剧变化的几何，不连续或小缝隙可能需要更多分解适当的网格分布可预测物理条件不适当的分解和分布 可能导致大的单元尺寸变化，纵横比和(或)偏斜,网格质量影响要素,尺寸功能类型不适当的使用(或根本不使用)高级尺寸功能(ASF)可能导致差网格质量 对弯曲特征支配的几何使用Curvature ASF 对有缝隙或狭窄成份的几何使用 Proximity ASF 对综合这些特征的几何使用 Curvature and Proximity ASF,ASF 可用来消除!,网格质量影响要素,划分方法划分方法不适当的使用(自动,

11、四面体,扫掠,多区 和CFX-网格)会导致大的偏斜划分方法的选择取决于几何和应用程序使用Outline中Mesh 对象下Show the Sweepable Bodies 是一个好习惯许多程序利用 Patch Conforming 和扫掠划分方法,A relatively“good”mesh in terms of max skewness,however the average and standard deviation are large,网格质量影响要素,膨胀不适当的:表面网格质量 膨胀表面选择 膨胀选项膨胀算法(compression 或 stair-stepping层)膨胀参数高级

12、膨胀选项 可能导致差的网格质量!,受影响的膨胀,改进网格质量策略,CAD 清除使用 CAD 或 DM:简化几何合并小边合并边以减少面的数量 避免狭窄面只在重要地方保留体间隙分解几何 移除不必要几何 几何相加几何修补,DM中分裂边/项目边/合并面后,改进网格质量策略,虚拟拓扑 AM中使用VT 在简化几何细节 可在Outline中Model 下添加创建虚拟边/面可改进网格如果结果表面网格扭曲，则考虑修整 DM或CAD中几何问题,用宽面虚拟合并狭小面后,改进网格质量策略,收缩控制允许在网格水平移除小的特征(小边或狭小面)供 Patch-Conforming 四面体方法使用当收缩标准合适的时候，小的特

13、征从网格中消除,用Outline中Mesh下Pinch Controls自动探测收缩位置,改进网格质量策略,Sensible 网格尺寸和膨胀设置,最小尺寸减少 2X 以适应狭小几何。结果网格质量得到改进。局部面尺寸也可能使用。,一般建议如果体网格满足以下一个或更多条件，则认为不可接受:FLUENT网格非常高的偏斜(0.98)退化单元(偏斜 1)高纵横比单元负体积单元质量改进:改进表面网格质量移动网格节点CAD 修整几何问题如尖角,小边,合并面和/或分解几何DM 中Clean-up工具简化几何和它们的实体 ANSYS Meshing程序中不同方法，全局和局部尺寸和参数ANSYS Meshing

14、程序中收缩控制消除小特征 ANSYS Meshing 程序中虚拟拓扑以简化几何,改进网格质量策略,混杂的,如果模型包含多个部件或体，需在Outline 中Geometry对象下加亮它们来显示网格度量信息影响体(BOI)技术也可用来控制网格质量和适当局部分解包括直方图的更多高级网格度量可通过FEM中FE Modeler Mesh Metrics展示 也可在CFD 后处理中查看不同网格质量度量,汽车集流管的虚拟拓扑,作业 A.1,目标,这个作业使用作业 5.2的集流管几何.这个几何包含很多有问题的小面和尖角。,作业 5.2中,Patch Independent 方法被用来生成了一个高质量网格，而不

15、用修改几何。这个作业中将使用虚拟拓扑移除问题几何，然后使用默认的Patch Conforming 网格划分方法。,开始项目,启动ANSYS 12.0 Workbench点击左边工具箱中 Component Systems 双击 Mesh 选项将其添加到项目示图区在 Project Schematic中右击 Geometry 并选择 Import Geometry Browse.选择 Auto-Manifold.agdb文件,命名选项,接下来,确定Named Selections 被引入 Meshing:右击 cell A2 然后选择 Properties确保Named Selections 是

16、选中的,并且 Named Selection Key 是空白的关闭 Properties 窗口,编辑网格,编辑网格(cell A3)打开网格划分窗口抑制流体区域，对固体划分网格:选择工具栏的 Body selection图标选择内部流体区域,以致其绿色加亮显示,然后右击并选择 Suppress Body,网格设置,选择Outline中Mesh在 Details 中设置Physics Preference为CFD这里假设固体中热传递用CFD求解器求解,展开 Sizing 选项，设置:Span Angle Center=MediumMin Size=1.0 mmMax Face Size=10.0

17、 mmMax Tet Size=10.0 mm右击Outline中Mesh 并选择 Preview Surface Mesh由于体是不可扫掠的,将应用默认的 Patch Conforming方法,检查网格,Patch Conforming 方法划分每个单独表面。在这个几何中将使某些面产生差的网格质量。检查表面网格并注意差网格质量区域。通过在Geometry和Mesh 间切换，使差网格质量区域和下表面几何相联系。这里显示了几个例子:,添加虚拟拓扑,虚拟拓扑允许合并相邻面，移除不想要的表面几何特征，并生成更高质量网格。右击 Model(A3)并选择 select Insert Virtual To

18、pologyVirtual Topology项添加到了 Outline 中Details 中注意Behaviour 设为 Low右击 Virtual Topology 并选择 Generate Virtual Cells自动使用“Low”合并策略创建虚拟单元。“Medium”和“High”策略可能导致更多面合并成虚拟单元,虚拟拓扑,当选择了Virtual Topology，指示器会显示所有已创建的虚拟单元。检查新的表面几何，注意到大多问题面已被合并为一个 cleaner 表面几何Details 中将 Behaviour 改为Medium右击 Virtual Topology 并选择 Gener

19、ate Virtual Cells,注意更多的面合并到虚拟单元尝试使用Behaviour的High选项生成虚拟单元如右边所示，这个选项不能作用于这个几何切换回 Medium 选项，重新生成虚拟单元,检查改进网格,重新生成表面网格，并检查前面出现差质量网格的区域应该发现表面得到很大地改进仍然有些区域的网格需要改进.下面箭头标示的是其中一个区域.如果放大并检查几何，会发现表面的边上有个缺陷,手动添加虚拟单元,可手动添加虚拟单元进一步改进网格 拾取工具栏的Face selection 图标视图方向大约如下所示(注意 X-Y轴)从 Outline 中选择Virtual Topology 选择如下4个面

20、,然后右击并选择 Insert Virtual Cell,1,2,4,3,检查改进网格,重新生成网格，再次检查前面出现差质量网格的区域。看到改进的表面网格如有必要继续添加 Virtual Cells在某些情况，自动添加可能会合并一些并不想合并的面。可选择Virtual Topology项下的Virtual Face 并右击 delete来删除个别虚拟单元.右击 Mesh 并选择 Generate Mesh 生成最终固体网格,察看流体,下一步是创建流体区域的网格在Outline中展开 Geometry Part section右击第一个固体并选择 Hide Body来隐藏固体区域右击被抑制的(第

21、二个)固体并选择 Unsuppress Body对第二个选择固体,在 Details视窗展开 Graphical Properties section 并设置 Transparency 为1,添加膨胀,从Outline选择Virtual Topology流体区域的虚拟单元早已建立检查自动虚拟单元看是否合理模型中应该没有小面残留下一步是对流体壁添加膨胀右击 Mesh 并选择 Insert Inflation在Geometry栏需选择对应流体区域的固体，然后点击Apply一旦已选择了固体，在Boundary栏点击 No Selection，出现 Apply/Cancel 按钮,创建流体网格,现在选

22、择模型的非入口或出口的一个面从工具栏选择 Extend to Limitst:选择所有流体壁点击 Boundary栏的Apply 右击Mesh 并选择Generate Mesh生成最终网格,检查网格质量,展开Statistics项并设置 Mesh Metric为Skewness.注意最大偏斜在FLUENT求解器可接受范围内.如果生成了无虚拟拓扑的网格,最大偏斜将相 当高。,无虚拟单元,流体区域网格,无虚拟拓扑,虚拟拓扑,FLUENT 和 CFX 网格质量度量,作业A.2,目标,这个作业将示范如何应用ANSYS 网格划分程序对一内部流动场生成 in is CFD网格 几何表示的是航空航天气阀部分

23、,已分解为 3 个体目标是生成包含六面体，棱锥，棱柱和收缩控制四面体单元的共形混合CFD网格，并对 Fluent 和CFX求解器参数选择检查网格质量,创建网格划分系统,从开始菜单启动ANSYS Workbench点击左边工具箱的Component Systems 双击 Mesh 选项,右击(RMB)Geometry 按钮并选择 Import Geometry(一旦输入了几何文件，问号标记消失)从指南文件夹输入 Aero-Valve.agdb 文件双击项目示图区的 Mesh 按钮，启动网格划分程序,输入几何,几何,初始几何是一个固体部件，流体区域在DesignModeler(DM)中被分离出。D

24、M中执行的其他操作：定义气阀位置参数关闭出口端创建多体部件，并命名“Fluid”，材料为“Fluid”重命名个别体，Named Selection 用来定义 Inlet 和Outlet尖角处倒圆角以改进网格质量,在网格划分选项面板，选择以下选项:Physics PreferenceCFDMesh MethodAutomatic完成选项后点击OK 单位设为 mm,网格划分选项,设置全局网格控制参数:点击 Mesh 来改变设置校正 DefaultsPhysics Preference CFDSolver PreferenceFluent 或 CFX最初使用Fluent is used initia

25、lly,但CFX设置的结果也会呈现设置 Sizing 参数设置Use Advanced Size FunctionOn:Curvature设置 Curvature Normal Angle 为15设置Min Size为0.20 mm保留其它默认设置,全局网格参数,设置 Inflation参数点击 Use Automatic Tet Inflation 下拉列表并选择 Program Controlled,保留其它默认值 Maximum Layers设为 4激活View Advanced Options设置 Pinch 控制 设置Pinch Tolerance=0.15 mm激活 Generat

26、e on RefreshMesh Metrics设为 Skewness(对Fluent),膨胀和收缩参数,注意:Program Controlled Inflation 将对所有没指定Name Selection的边界添加膨胀.不对Fluid-Fluid界面添加膨胀,注意:Smooth Transition使在膨胀层和四面体网格间按定义的 Growth Rate过渡,注意:Layer Compression对Fluent是默认的Collision Avoidance选项 而Stair Stepping 对 CFX默认,注意:当边长度或顶点间距离小于收缩容差的时候，软件将在划分中忽略边或去除额外

27、的顶点,注意:Pinch Tolerance 应小于尺寸功能最小尺寸,建立收缩控制:在树状结构图中点击鼠标右键(RMB(Tree)选择 Create Pinch Controls创建10个收缩控制(展开 Mesh 按钮列出 pinch controls),收缩控制,查看收缩控制,查看收缩控制 Ctrl 鼠标左键 选择 Pinch controls,在视图窗口会加亮显示,对入口和出口体指定扫掠方法:,扫掠方法,选择Mesh 按钮选择体(如下所示)Cursor Mode设为Body Selection左击(选择)一可扫掠体 按住 Ctrl 键并选择第二个体插入方法在图形窗口点击鼠标右键(RMB(W

28、indow)Insert-Method出现“Automatic Method”表格在Automatic Method 表格中从下拉菜单选择Sweep,设置扫掠方法控制Src/Trg Selection;选择Manual Source点击 Source 选择栏将激活面拾取按住 Ctrl 键并拾取入口和出口面点击Apply额外设置设置Free Face Mesh Type;All Quad设置Sweep Num Divs;20设置Sweep Bias Type;_ _ _ _ _设置Sweep Bias;4,扫掠方法设置,Inlet,Outlet,扫掠体上的2D-膨胀:拾取面;Cursor Mod

29、e设为 Face Selection选择入口和出口面(绿色的)RMB(窗口)Insert-Inflation拾取边Cursor Mode 设为Edge selection选择环绕入口和出口面的4条边(红色标记的)点击Apply膨胀设置设置 Maximum Thickness:3.0 mm保留所有其他选项,扫掠膨胀,模型的表面网格划分:右击 Mesh 并选择 Preview Surface Mesh提供网格质量和密度的反馈Advanced Size Function在扫掠体中创建非常细化的网格,可通过在入口和出口上定义边间隔来减小尺寸,初始表面网格,边尺寸,扫掠体上边网格:插入 Edge Siz

30、e;激活边拾取选择环绕入口和出口面的4条边右击 Insert-Sizing设置参数改变TypeNumber of Divisions;20改变 Behavior;Hard,检查膨胀层:(任选的)右击 Mesh 并选择 Preview Inflation查看网格 Statistics,网格尺寸和最大偏斜大约分别是 310000 和0.92准备好体网格划分,预览膨胀,.,划分模型:RMB(Tree)选择 Generate Mesh再次检查 Statistics，单元总数和最大偏斜将大约分别是 926000 和0.92,Fluent 设置的体网格,.,创建 Section Plane:点击右下角的Z

31、-轴给模型定向 点击 Selection Plane 图标按下并按住鼠标左键沿显示的红色箭头方向移动然后释放Section Plane的位置可通过移动滑块来调整点击“Show Whole Element”重新选择旋转按钮调整视图,使用截面位面查看内部网格,旋转几何查看网格点击鼠标右键(Tree)，并选择Show Worst Elements注意到其位置远离主要流场,查看最坏单元,提示:从View菜单选择 Wireframe 帮助选择单元,CFX 求解器优选项,使用 CFX 求解器优选项(任选的)改变Solver Preference:CFXRMB(Tree)选择Generate Mesh对CF

32、X 求解器的设置，最大偏斜值很高。,检查FEModeler中网格质量(任选的)网格划分程序RMB(Tree)Update关闭网格划分程序Workbench 2将FE Modeler拖放到项 目示图区中Mesh上部双击 ModelFEModelerRMB(Tree)插入 Mesh MetricsMesh Metrics 气阀 4 节点线性四面体设置 Mesh Metric类型:Aspect Ratio最大纵横比小于 50,检查FEModeler中网格质量,.,保存项目,完成了网格选择File Close 来关闭 FEModeler在 WB 面板选择 Update在 WB 面板选择 File Save Project As 并给出项目名选择File Exit退出ANSYS Workbench,