Chapter2-FLOW-3D幾何模型導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

第二章、FLOW-3D

幾何模型

導(dǎo)入及網(wǎng)格劃分

FLOW-3D?v9.4Definitionof

geometryFAVORizeApplyMeshingIterateuntilgeometryisadequatelyresolved? Contents:

幾何模型導(dǎo)入

Meshing網(wǎng)格劃分

FAVORize檢查劃分質(zhì)量網(wǎng)格劃分質(zhì)量流程1、FLOW-3D支持cad格式FLOW-3D

可以導(dǎo)入多種格式及網(wǎng)格格式，默認僅能直接讀取STL格式，其它格式必須以文本編輯器編輯Prepinfile。Stereolithography(STL)dataTetrahedralCADdataANSYSdataIDEASdataTopographicdataCombinationofaboveSTL（stereo-lithography）format大部分的CAD都支持STL格式輸出。STL格式轉(zhuǎn)出時，實體圖形是以三角面完全包覆，轉(zhuǎn)出格式則包含三角面的三個頂點坐標，以及三角面法線方向。其均采用笛卡爾坐標系

(Cartesiancoordinatesystem)。STL格式STL文件是以”.stl”為后綴名，STL格式是以近似的外包曲面來代表物體的表面。STL檔中包含一系列的面資料，每一個面資料以一個單位法向量（Normalvector）以及三個頂點（vertices）坐標來表示。因此是以12個數(shù)字來代表一個面。STL檔分為Ascii

及Binary兩種格式，Ascii

的STL檔只是為了讓使用者可以看出其格式并且進行編輯，但是其格式較大。由于

FLOW-3D

兩種格式都可以接受，建議生成格式采用Binary格式（Binary格式的STL檔較?。?。(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)NormalVectorI-DEASUniversalFileFLOW-3D

也可導(dǎo)入從其他CAD或CAE產(chǎn)生的tetrahedral網(wǎng)格格式，默認格式為I-DEAS的Universal格式（后綴名為.unv），由于讀入的資料僅需四個頂點的坐標以及其關(guān)連性，因此即使是其他格式的網(wǎng)格檔，只要符合這個格式，就可以讀取。如果要輸入此類格式的網(wǎng)格檔，必須以Notepad編輯Prepin檔。FIDEAS(L)=‘filename’.默認名稱為“cadfnn

.

inp”，nn為數(shù)字.轉(zhuǎn)入的圖檔同樣可以在FLOW-3D

內(nèi)進行平移/旋轉(zhuǎn)/縮放等設(shè)定。其他網(wǎng)格格式FLOW-3D也支持由ANSYS導(dǎo)出

TetraElement網(wǎng)格檔，不過必須將檔案分為兩部分，分別是坐標檔以及網(wǎng)格關(guān)連檔。在水利行業(yè)設(shè)定時，建議使用者直接以STL檔作為模擬分析檔格式。操作：從前處理器加入STL檔加入STL檔

FLOW-3D

沒有限制STL檔的數(shù)量，如果需要加入多個STL檔，可以重復(fù)加入Geometryfile

(s)幾何設(shè)定改變幾何單位及類型單位轉(zhuǎn)換類型選擇幾何模型建立基本架構(gòu)GeometryComponent1Component2ComponentnSubcomponent1Subcomponent2Subcomponentn同一個Component內(nèi)僅可以設(shè)定一種材料與運動性質(zhì)Component類型分為:StandardPorousDomainremovingLostFoamPackedSedimentCoreGasSubcomponents可以定義為:SolidHoleComplement…Components分類為:Standard:固體Porous:濾網(wǎng)，篩子，土壤LostFoam:消失模中的泡沫Domainremoving:網(wǎng)格區(qū)域移除，不被列入計算網(wǎng)格以節(jié)省內(nèi)存容量及提高求解運算時間CoreGas:型芯氣體Component的分類Subcomponent可以被定義:Solid：固體Hole:從現(xiàn)有的固體中去除材料Complement:物體以外整個計算區(qū)域定義為固體，幾何則為空腔只有CAD幾何圖形可以被定義為Complement，內(nèi)建的幾何不能設(shè)定該類型Subcomponent的分類如何決定sub-component要加入到現(xiàn)有的或新的component?

相同的材料與運動性質(zhì)設(shè)成同一個component!大壩仿真的幾何組件Orange–topography,roughsurfaceBlue–damstructure,smoothsurfaceDarkBlue–northgate,movingGreen–southgate,movingYellow–tailrace,semi-roughsurfaceComponentType物體類型SolidHoleComplementHoles&ComplementsSolidHoleComponent1Subcomponent1:SolidSubcomponent2:HoleComplementSubcomponentsofSimulationSubcomponent5Subcomponent6Subcomponent7不同的Sub-components圖形導(dǎo)入順序，會產(chǎn)生不同的幾何效果注意圖形導(dǎo)入順序SolidHoleSolidHole如果兩個subcomponents/components有重迭部分，重迭區(qū)域的性質(zhì)以先加載的圖形為主注意圖形導(dǎo)入順序SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2內(nèi)建幾何模型操作軟件提供五種常見幾何類型(球/圓柱/錐/長方體/環(huán));用戶可以通過界面快捷方式或通過菜單ConeFLOW-3D內(nèi)建幾何工具BoxCylinderSpherePrimitivesToolbar–ModelSetup,MeshingandGeometryzhighzlowxlowxhighylowyhighWedgeAngleLimitedCylinderToruszZlowZhigh建立基本幾何圖形在幾何設(shè)定樹狀表上外加一些限制案例：半圓柱基本幾何圖形+限制組合DefaultcylinderAddlimiter可以將幾何圖形縮放、旋轉(zhuǎn)與平移圖形轉(zhuǎn)換操作如下：建立幾何圖形放大或縮小尺寸改變方向

移動位置Subcomponents的基本操作觀察幾何鼠標左鍵：旋轉(zhuǎn)鼠標中鍵：放大/縮小鼠標右鍵：平移局部放大屏幕適合尺寸視圖修改后更新Unit單位FLOW-3D采用單位為SI（m,Kg,…）CGS（cm,g,…）ENGINEERING（英制）由于大部分鑄件繪圖單位為mm，因此在FLOW-3D導(dǎo)入幾何時建議將單位轉(zhuǎn)換至CGS制。1mm=0.1cm，因此單位轉(zhuǎn)換時Globalmagnitude必須填入0.1。STL圖形的檢查與修正是模擬分析中很重要的環(huán)節(jié)一般STL圖形主要的問題三角面遺失三角面法方向錯誤三角面面積為零FLOW-3D本身可以處理一些比較輕微的圖形問題較小的破面會被填滿一些微小的異常特征會被平滑處理STL圖形問題MiniMagics

是FLOW-3D所提供的免費軟件有助于檢查STL圖形好壞由FLOW-3D開始菜單界面選擇安裝MiniMagics可以由Materialise開始界面打開MinimagicsSTL圖檔修正檢查打開MiniMagics打開圖形C:\class\demo_files\stlf01_bad.stl如果出現(xiàn)錯誤訊息，進行修復(fù)工作（僅能簡單修補）利用MiniMagics檢查STL圖形品質(zhì)DimensionsVolume,Area,TrianglesErrorsMissingTriangleSectionViewsSTL圖形可以利用

FLOW-3DV9.4的“pyADMesh”功能修補pyADMesh圖形修正功能pyADMesh有許多功能圖形單位轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)鏡像STL圖檔修補變換三解網(wǎng)格法線向量移除面積為零三角網(wǎng)格增補短缺的三角網(wǎng)格三角面缺失嚴重的圖問題無法利用pyADMesh

修補利用pyADMesh

進行STL圖形修補與轉(zhuǎn)換內(nèi)定的選項ClosegapsAddtrianglestofillholesFixunitnormaldirectionsFixunitnormalvalues檔案輸出格式Binary(small,can’tedit)ASCII(large,editable)結(jié)果操作pyADMesh顯示打開fileC:\class\demo_files\Spillway_Missing_tri.STL導(dǎo)入數(shù)據(jù)檢查Erroranalysisandrepairwith“MiniMagics

”Errorsdetectedby

“MiniMagics”Meshingfreeoferrors

afterrepairofindividual

STLgeometriesBaffle:沒有厚度的孔隙平板用來控制或引導(dǎo)水流Baffles也可以用來量測通過某段面的水流流量與計算通過的顆粒數(shù)量Baffles可以是平板、圓柱、圓柱或圓錐Baffles

利用使用界面建立Baffles在“Baffles”上按右鍵新增Definition給定位置利用“l(fā)imiters”功能給定形狀若是孔隙介質(zhì)，在此設(shè)定相關(guān)材料系數(shù)設(shè)定熱傳相關(guān)性質(zhì)系數(shù)Baffles定義成量測流量，完全不影響水流運動降低內(nèi)存使用

UMA-UnstructuredMemoryAllocationNumberofcellsgenerated:~230K

ActivecellsNumberofcellsallocatedtomemory:~57KBlockedcellsOnlymeshcellsneededforheatandfluidflowsimulationareallocatedmemory減少內(nèi)存使用

DomainRemovingComponentsComponents可以由多個subcomponents組成Subcomponents可以是solids,holes或complements每個component僅有一種材料與運動性質(zhì)Subcomponents的建立方式有：內(nèi)建簡單幾何,STLfiles,CADdata,Topographicdata,IDEASdataorANSYSdata小結(jié)2、網(wǎng)格建立網(wǎng)格基本設(shè)定UniformMeshesNon-UniformMeshes網(wǎng)格建立重點Multi-BlockMeshes操作：建立網(wǎng)格網(wǎng)格基本設(shè)定UniformMeshesNon-UniformMeshes建議：采用UniformMeshes。如果局部幾何為薄壁時，為了減少網(wǎng)格數(shù)量常采用Non-UniformMeshes。Meshing–連接式網(wǎng)格塊XZBlock#3不同網(wǎng)格塊必須要非常準確的結(jié)合在一起，不能有重疊或是出現(xiàn)間隙。前處理器會自動將網(wǎng)格區(qū)塊連接邊界設(shè)定為內(nèi)部邊界，使用者不需要針對此部分做額外的處理。Meshing–嵌套式網(wǎng)格塊XZFixedPoint#1FixedPoint#2FixedPoint#3FixedPoint#4FixedPoint#1FixedPoint#2FixedPoint#3FixedPoint#4Multi-多個網(wǎng)格塊操作多個網(wǎng)格設(shè)定的基本原則利用固定點減少相連網(wǎng)格區(qū)塊間的計算錯差建議相鄰網(wǎng)格塊大小的比例不要超過2

“PreprocessSimulation”預(yù)處理時，會顯示多個網(wǎng)格所造成的網(wǎng)格誤差(Multi-blockAreaMismatchError)，建議誤差控制在0.1%以下。

openareamismatchatinter-blockboundariesofallblocksas%oftotalopenareaatthesemeshboundaries=7.31706E-02LargeinterpolationerrorspossibleBetter至少需要一個格點才可以描述幾何存在幾何角點“Corners”如果位于格點中間，角點將無法顯示。面積主要根據(jù)網(wǎng)格線性分布。網(wǎng)格密度對幾何解析度的影響網(wǎng)格建立重點盡量采用UniformMeshes格式。網(wǎng)格的AspectRatios盡量趨近于

1（正立方體）。AspectRatio建議不要超過3.0；如果是采用Non-UniformMesh格式時，相鄰的網(wǎng)格尺寸比例建議不要超過1.25。在流場越紊亂（壓力梯度變化較大）的區(qū)域，盡量采用UniformMeshes。Multi-BlockMeshesFLOW-3D

的Multi-BlockMeshes的設(shè)定方式適用各種應(yīng)用領(lǐng)域，能夠?qū)植炕蛘w的網(wǎng)格尺寸調(diào)整，大幅減少計算所需的內(nèi)存。網(wǎng)格區(qū)塊（MeshBlock）不允許局部重疊，僅能完全相接或者是完全重疊Multi-BlockMeshes設(shè)定重點網(wǎng)格區(qū)塊數(shù)量越少越好；每增加一個網(wǎng)格區(qū)塊，至少會增加一個需要迭代的邊界。不必要的網(wǎng)格區(qū)塊會增加迭代可能造成的數(shù)值誤差以及增加計算時間。網(wǎng)格區(qū)塊之間的AspectRatio（網(wǎng)格尺寸）盡量采用1.0~2.0之間。避免在流場紊亂（壓力梯度較大）的位置建立網(wǎng)格區(qū)塊，網(wǎng)格區(qū)塊連接的位置盡量在流場平緩的區(qū)域。在網(wǎng)格區(qū)塊的連接位置，以FixedPoint確認網(wǎng)格區(qū)塊的連接，這樣可以減少網(wǎng)格區(qū)塊連接位置的體積誤差量。操作：建立網(wǎng)格顯示網(wǎng)格隱藏網(wǎng)格改為柱坐標增加網(wǎng)格區(qū)塊網(wǎng)格區(qū)塊信息網(wǎng)格區(qū)塊的調(diào)整新增網(wǎng)格區(qū)塊刪除網(wǎng)格區(qū)塊自動切割網(wǎng)格調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊網(wǎng)格信息網(wǎng)格區(qū)塊尺寸調(diào)整移動網(wǎng)格區(qū)塊復(fù)制網(wǎng)格區(qū)塊分割網(wǎng)格區(qū)塊自動調(diào)整網(wǎng)格區(qū)塊至幾何圖檔大小隱藏網(wǎng)格顯示網(wǎng)格僅顯示單一網(wǎng)格區(qū)塊顯示所有網(wǎng)格區(qū)塊常用指令Meshadjustment以鼠標調(diào)整網(wǎng)格大小調(diào)整步長大小AutoMesh&MeshInfo可指定網(wǎng)格總數(shù)量，或者是指定網(wǎng)格尺寸大小程序會根據(jù)指定的條件，在X,Y,Z三方向進行網(wǎng)格切割網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格劃分注意事項網(wǎng)格切割的層數(shù)僅需描述幾何外形，不需要生成三層以上的網(wǎng)格（單層即可）。建議采用均一尺寸的網(wǎng)格。以FAVOR工具查看網(wǎng)格是否能完整描述原始幾何。多網(wǎng)格區(qū)塊設(shè)定可以在網(wǎng)格數(shù)量限制下更完整的描述圖檔。但是網(wǎng)格區(qū)塊不宜過多。充填模擬建議不需要超過三個（凝固模擬采用一個網(wǎng)格區(qū)塊）。一般而言，網(wǎng)格區(qū)塊最多不宜超過五個。如果采用多個網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動平緩的位置進行切割）。不同網(wǎng)格區(qū)塊的網(wǎng)格尺寸大小可以不同，但是盡量不要超過兩倍。如果要用多網(wǎng)格區(qū)塊進行網(wǎng)格建立，必須強制邊界對齊。1、采用多個網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動平緩的位置進行切割）

2、增加適合的節(jié)點以減少多區(qū)塊網(wǎng)格體積的損失。(“openarea

mismatchatinter-block

boundaries”)多網(wǎng)格塊建立的方法(一)直接以坐標輸入的方式進行網(wǎng)格建立先取得相對應(yīng)的坐標值單擊右鍵12對網(wǎng)格尺寸做調(diào)整多網(wǎng)格塊建立的方法(二)先建立單一網(wǎng)格塊，再以分割網(wǎng)格/調(diào)整網(wǎng)格的方式建立沿著某個方向一分為二，或更多Multi-Block

設(shè)定重點由于每個

MeshBlock的大小都不一樣，即使是以『Sizeofallcells』的設(shè)定，MeshBlock相接處網(wǎng)格邊界無法相互連接。如果流體流經(jīng)此處時，計算會相當復(fù)雜，可能會有計算收斂的問題。Block2Block1以增加點方式控制網(wǎng)格尺寸X=-0.4在每個『

MeshBlock』相接處以『AddPoint』設(shè)定，可以讓邊界的計算收斂問題減少。Xmin（Block2

）=X（Block1）右鍵單擊網(wǎng)格界面：更新顯示ChangesinMesharenotreflectedindisplayuntilupdated!TheMesh/Update(CTRL+U)option

updatestheview.example

ofbadmeshingbetterbad 33meshblocks

1,800,441cells

943,883activecells

113,987“boundarycells” 7meshblocks

3,521,741cells

660,3