ANSYS Fluent：網(wǎng)格生成與質(zhì)量控制技術(shù)教程.Tex.header

ANSYSFluent：網(wǎng)格生成與質(zhì)量控制技術(shù)教程1ANSYSFluent：網(wǎng)格生成與質(zhì)量控制1.1網(wǎng)格生成基礎(chǔ)1.1.11網(wǎng)格生成的重要性網(wǎng)格生成是CFD（計算流體動力學）模擬中的關(guān)鍵步驟。在ANSYSFluent中，網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響到計算的準確性和效率。高質(zhì)量的網(wǎng)格可以確保模擬結(jié)果的可靠性，而低質(zhì)量的網(wǎng)格則可能導致計算失敗或結(jié)果不準確。網(wǎng)格生成的重要性體現(xiàn)在以下幾個方面：準確性：網(wǎng)格的密度和分布影響流場的分辨率，從而影響計算結(jié)果的準確性。計算效率：合理的網(wǎng)格劃分策略可以減少計算資源的消耗，提高計算效率。穩(wěn)定性：網(wǎng)格質(zhì)量差可能導致數(shù)值解的不穩(wěn)定，甚至計算發(fā)散。1.1.22網(wǎng)格類型介紹ANSYSFluent支持多種網(wǎng)格類型，包括：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：網(wǎng)格單元在空間中規(guī)則排列，適用于形狀規(guī)則的幾何體。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格：網(wǎng)格單元在空間中不規(guī)則排列，適用于復雜幾何體?；旌暇W(wǎng)格：結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點，適用于既有規(guī)則部分又有復雜部分的幾何體。自適應(yīng)網(wǎng)格：根據(jù)計算需求動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格密度，提高計算效率和準確性。1.1.33網(wǎng)格生成流程網(wǎng)格生成流程通常包括以下步驟：幾何模型準備：確保幾何模型的準確性和完整性，去除不必要的細節(jié)。網(wǎng)格劃分：選擇合適的網(wǎng)格類型和劃分策略，進行網(wǎng)格生成。網(wǎng)格檢查：使用ANSYSFluent的網(wǎng)格檢查工具，評估網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格優(yōu)化：根據(jù)檢查結(jié)果，調(diào)整網(wǎng)格參數(shù)，優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量。網(wǎng)格導入：將優(yōu)化后的網(wǎng)格導入ANSYSFluent，準備進行CFD模擬。1.1.44網(wǎng)格劃分策略網(wǎng)格劃分策略應(yīng)根據(jù)具體問題和幾何形狀來選擇。以下是一些常見的策略：全局細化：在整個計算域內(nèi)增加網(wǎng)格密度，適用于需要全局高分辨率的情況。局部細化：僅在特定區(qū)域增加網(wǎng)格密度，適用于流體邊界層或高梯度區(qū)域。邊界層網(wǎng)格：在流體與固體接觸的邊界附近生成細密的網(wǎng)格，以準確捕捉邊界層效應(yīng)。自適應(yīng)網(wǎng)格細化：根據(jù)計算過程中的誤差估計，自動調(diào)整網(wǎng)格密度，適用于需要動態(tài)調(diào)整網(wǎng)格的模擬。1.2示例：局部細化網(wǎng)格生成假設(shè)我們正在模擬一個繞過圓柱的流體流動問題，我們希望在圓柱周圍生成更細密的網(wǎng)格以捕捉邊界層效應(yīng)。以下是在ANSYSFluent中實現(xiàn)這一策略的步驟：導入幾何模型：首先，導入圓柱的幾何模型。選擇網(wǎng)格類型：對于這種問題，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常是一個好的選擇，因為它可以靈活地適應(yīng)圓柱周圍的流體流動。設(shè)置局部細化：在網(wǎng)格生成設(shè)置中，選擇圓柱表面作為局部細化的區(qū)域，并設(shè)置細化參數(shù)。例如，可以設(shè)置細化因子為2，這意味著圓柱周圍的網(wǎng)格密度將是其他區(qū)域的兩倍。在ANSYSFluent中，局部細化的設(shè)置通常在Mesh面板中完成，但具體操作涉及的代碼和數(shù)據(jù)樣例在不同的前處理器（如ANSYSICEM或ANSYSMeshing）中生成，而不是在Fluent中直接編寫。因此，這里不提供具體的代碼示例，而是描述操作流程。生成網(wǎng)格：應(yīng)用設(shè)置后，生成網(wǎng)格。檢查和優(yōu)化：使用網(wǎng)格檢查工具評估網(wǎng)格質(zhì)量，必要時進行優(yōu)化。通過局部細化策略，我們可以在保持計算效率的同時，提高圓柱周圍流場的分辨率，從而更準確地模擬邊界層效應(yīng)。1.3ANSYSFluent網(wǎng)格生成工具1.3.11ANSYSFluent網(wǎng)格生成界面在ANSYSFluent中，網(wǎng)格生成界面是用戶與軟件交互的關(guān)鍵部分，它提供了直觀的工具來創(chuàng)建、編輯和查看網(wǎng)格。網(wǎng)格生成界面通常包括以下組件：工具欄：包含網(wǎng)格生成的基本操作按鈕，如創(chuàng)建、編輯、查看網(wǎng)格等。圖形窗口：顯示幾何模型和網(wǎng)格的3D視圖，用戶可以在此窗口中旋轉(zhuǎn)、縮放和平移視圖。工作流窗口：顯示網(wǎng)格生成的步驟，幫助用戶跟蹤網(wǎng)格生成的進度。屬性窗口：用于設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)，如網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格類型等。日志窗口：顯示網(wǎng)格生成過程中的信息和警告，幫助用戶診斷問題。1.3.22使用Meshing模塊ANSYSFluent的Meshing模塊是進行網(wǎng)格生成的核心工具，它提供了多種網(wǎng)格生成策略，包括：四面體網(wǎng)格：適用于復雜幾何，能夠自動填充模型的內(nèi)部空間。六面體網(wǎng)格：適用于規(guī)則幾何，生成的網(wǎng)格質(zhì)量通常高于四面體網(wǎng)格?；旌暇W(wǎng)格：結(jié)合四面體和六面體網(wǎng)格的優(yōu)點，適用于既有規(guī)則又有復雜部分的模型。1.3.2.1示例：使用Meshing模塊生成四面體網(wǎng)格#導入必要的庫

fromansys.fluent.coreimportlaunch_fluent

#啟動Fluent

fluent=launch_fluent(version="23.1",mode="solver")

#加載幾何模型

fluent.tui.file.read_case("path_to_your_case_file.cas")

#切換到Meshing模塊

fluent.tui.meshing.switch_to_meshing()

#設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)

fluent.tui.meshing.tetra.set_size("global",0.1)

#生成網(wǎng)格

fluent.tui.meshing.tetra.generate()

#保存網(wǎng)格

fluent.tui.file.write_data("path_to_your_mesh_file.msh")1.3.33自動網(wǎng)格生成與手動調(diào)整自動網(wǎng)格生成是基于預設(shè)的網(wǎng)格參數(shù)和幾何特征，由軟件自動完成網(wǎng)格劃分的過程。然而，自動網(wǎng)格生成可能無法滿足所有模型的精度需求，這時就需要手動調(diào)整網(wǎng)格。手動調(diào)整網(wǎng)格包括：網(wǎng)格細化：在特定區(qū)域增加網(wǎng)格密度，以提高局部精度。網(wǎng)格平滑：改善網(wǎng)格質(zhì)量，減少網(wǎng)格扭曲。網(wǎng)格分割：將模型分割成多個區(qū)域，分別設(shè)置網(wǎng)格參數(shù)。1.3.3.1示例：手動細化網(wǎng)格#設(shè)置特定區(qū)域的網(wǎng)格細化

fluent.tui.meshing.tetra.set_size("region_name",0.05)

#執(zhí)行網(wǎng)格細化

fluent.tui.meshing.tetra.refine("region_name")1.3.44網(wǎng)格導入與導出網(wǎng)格導入與導出是ANSYSFluent網(wǎng)格生成工具的重要功能，允許用戶在不同軟件之間共享網(wǎng)格數(shù)據(jù)。1.3.4.1示例：導入網(wǎng)格#導入網(wǎng)格文件

fluent.tui.file.read_data("path_to_your_mesh_file.msh")1.3.4.2示例：導出網(wǎng)格#導出網(wǎng)格為特定格式

fluent.tui.file.write_data("path_to_your_output_file.msh","fluent")以上示例展示了如何使用ANSYSFluent的Meshing模塊進行網(wǎng)格生成、調(diào)整和數(shù)據(jù)交換的基本操作。通過這些操作，用戶可以創(chuàng)建滿足流體動力學分析需求的高質(zhì)量網(wǎng)格。2網(wǎng)格質(zhì)量控制2.11網(wǎng)格質(zhì)量指標在ANSYSFluent中，網(wǎng)格質(zhì)量對仿真結(jié)果的準確性和收斂性至關(guān)重要。網(wǎng)格質(zhì)量可以通過多個指標來評估，這些指標包括但不限于：Skewness（扭曲度）:衡量網(wǎng)格單元的形狀與理想形狀的偏差。理想單元是正六面體或正四面體。扭曲度越低，網(wǎng)格質(zhì)量越好。Orthogonality（正交性）:衡量網(wǎng)格單元邊與面法線之間的角度。正交性越高，網(wǎng)格質(zhì)量越好。AspectRatio（長寬比）:衡量網(wǎng)格單元各邊長的比例。長寬比接近1表示單元形狀良好。Size（尺寸）:網(wǎng)格單元的大小。在流體動力學中，單元大小應(yīng)根據(jù)流體特征和邊界條件進行調(diào)整。Smoothness（平滑度）:衡量網(wǎng)格單元大小變化的平滑性。平滑度越高，網(wǎng)格質(zhì)量越好。2.1.1示例：檢查網(wǎng)格扭曲度#導入FluentAPI模塊

fromansys.fluent.coreimportlaunch_fluent

#啟動Fluent

fluent=launch_fluent(version="23.1",mode="solver")

#讀取網(wǎng)格文件

fluent.tui.file.read_case("path_to_case_file.cas")

#檢查網(wǎng)格扭曲度

fluent.tui.mesh.check.check("skewness")

#輸出扭曲度統(tǒng)計信息

skewness_stats=fluent.tui.mesh.check.get_stats("skewness")

print(skewness_stats)2.22網(wǎng)格質(zhì)量檢查工具ANSYSFluent提供了多種工具來檢查網(wǎng)格質(zhì)量，包括：MeshCheck（網(wǎng)格檢查）:可以檢查網(wǎng)格的多個質(zhì)量指標，如扭曲度、正交性等。MeshDisplay（網(wǎng)格顯示）:可視化網(wǎng)格，幫助識別網(wǎng)格中的問題區(qū)域。MeshStatistics（網(wǎng)格統(tǒng)計）:提供網(wǎng)格單元的統(tǒng)計信息，如最小、最大和平均值。2.2.1示例：使用MeshCheck工具#使用MeshCheck工具檢查網(wǎng)格質(zhì)量

fluent.tui.mesh.check.check("all")

#獲取所有網(wǎng)格質(zhì)量指標的統(tǒng)計信息

all_stats=fluent.tui.mesh.check.get_stats("all")

print(all_stats)2.33提升網(wǎng)格質(zhì)量的方法提升網(wǎng)格質(zhì)量的方法包括：Refinement（細化）:在流體流動復雜或邊界層附近細化網(wǎng)格。Coarsening（粗化）:在流體流動相對簡單或遠離邊界層的區(qū)域粗化網(wǎng)格。Smoothing（平滑）:應(yīng)用網(wǎng)格平滑算法來改善單元形狀。Re-meshing（重新網(wǎng)格化）:當網(wǎng)格質(zhì)量極差時，可能需要重新生成網(wǎng)格。2.3.1示例：應(yīng)用網(wǎng)格平滑#應(yīng)用網(wǎng)格平滑

fluent.tui.mesh.smooth.smooth("all","laplacian",10)

#再次檢查網(wǎng)格質(zhì)量

fluent.tui.mesh.check.check("all")2.44網(wǎng)格質(zhì)量對仿真結(jié)果的影響網(wǎng)格質(zhì)量直接影響仿真結(jié)果的準確性和可靠性：低質(zhì)量網(wǎng)格可能導致仿真結(jié)果不準確。網(wǎng)格單元的扭曲和非正交性可能增加數(shù)值誤差。不適當?shù)木W(wǎng)格尺寸可能影響收斂速度和計算資源的使用。2.4.1示例：網(wǎng)格尺寸對收斂速度的影響假設(shè)我們有兩個網(wǎng)格文件，一個網(wǎng)格尺寸較細，另一個較粗。我們可以通過比較它們的收斂速度來評估網(wǎng)格尺寸的影響。#讀取細網(wǎng)格文件

fluent.tui.file.read_case("path_to_fine_case_file.cas")

#設(shè)置求解器參數(shù)并求解

fluent.tui.solve.controls.solution.set("iterative","simple","1e-6")

fluent.tui.solve.iterate.iterate(100)

#記錄細網(wǎng)格的收斂速度

fine_grid_convergence=fluent.tui.solve.monitors.residual.get_data()

#讀取粗網(wǎng)格文件

fluent.tui.file.read_case("path_to_coarse_case_file.cas")

#重新設(shè)置求解器參數(shù)并求解

fluent.tui.solve.controls.solution.set("iterative","simple","1e-6")

fluent.tui.solve.iterate.iterate(100)

#記錄粗網(wǎng)格的收斂速度

coarse_grid_convergence=fluent.tui.solve.monitors.residual.get_data()

#比較兩個網(wǎng)格的收斂速度

print("Finegridconvergence:",fine_grid_convergence)

print("Coarsegridconvergence:",coarse_grid_convergence)通過上述代碼，我們可以比較不同網(wǎng)格尺寸對收斂速度的影響，從而優(yōu)化網(wǎng)格生成策略，提高仿真效率和結(jié)果的準確性。3高級網(wǎng)格生成技術(shù)3.11結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在ANSYSFluent中，網(wǎng)格生成是CFD分析的關(guān)鍵步驟。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格各有其適用場景和優(yōu)勢。3.1.1結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由規(guī)則的單元組成，如矩形、六面體等，通常在幾何形狀規(guī)則的區(qū)域中使用。這種網(wǎng)格類型在計算資源的使用上較為高效，且在邊界層解析方面有優(yōu)勢。3.1.1.1示例假設(shè)我們正在分析一個簡單的管道流動問題，可以使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來生成網(wǎng)格。在ANSYSFluent中，可以通過以下步驟創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：1.使用Mesh面板中的SizeFunctions來定義網(wǎng)格尺寸。2.選擇適當?shù)木W(wǎng)格密度和邊界層厚度。3.利用StructuredMeshing功能生成網(wǎng)格。3.1.2非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由不規(guī)則的單元組成，如三角形、四面體等，適用于復雜幾何形狀的區(qū)域。這種網(wǎng)格類型在處理復雜邊界條件和幾何細節(jié)方面更為靈活。3.1.2.1示例對于一個具有復雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的換熱器，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是更合適的選擇。在ANSYSFluent中，可以通過以下步驟創(chuàng)建非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格：1.使用Mesh面板中的SizeFunctions來定義網(wǎng)格尺寸。2.選擇適當?shù)木W(wǎng)格密度和邊界層厚度。3.利用UnstructuredMeshing功能生成網(wǎng)格。3.22多區(qū)域網(wǎng)格多區(qū)域網(wǎng)格技術(shù)允許在不同區(qū)域使用不同類型的網(wǎng)格，從而在保持計算效率的同時，提高復雜區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量。3.2.1示例考慮一個包含燃燒室和渦輪的發(fā)動機模型。燃燒室需要高密度的網(wǎng)格以準確捕捉燃燒過程，而渦輪葉片區(qū)域則需要結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以提高邊界層解析的準確性。在ANSYSFluent中，可以使用以下步驟創(chuàng)建多區(qū)域網(wǎng)格：1.在Mesh面板中，使用Block劃分工具將模型分為多個區(qū)域。2.為每個區(qū)域選擇合適的網(wǎng)格類型和尺寸。3.使用Multi-RegionMeshing功能生成網(wǎng)格。3.33動態(tài)網(wǎng)格與滑移網(wǎng)格動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)允許網(wǎng)格在計算過程中隨流體或固體的運動而變化，而滑移網(wǎng)格則用于處理兩個相對運動的網(wǎng)格區(qū)域之間的連接。3.3.1示例在模擬一個活塞在氣缸中運動的場景時，動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)是必要的。在ANSYSFluent中，可以使用以下步驟設(shè)置動態(tài)網(wǎng)格：1.在MeshMotion面板中，選擇DynamicMesh選項。2.定義活塞的運動邊界條件，如速度或位移。3.為活塞區(qū)域和氣缸區(qū)域設(shè)置適當?shù)木W(wǎng)格尺寸和類型?；凭W(wǎng)格技術(shù)在模擬旋轉(zhuǎn)機械，如風扇或渦輪機時非常有用。在ANSYSFluent中，可以使用以下步驟設(shè)置滑移網(wǎng)格：1.在MeshMotion面板中，選擇SlidingMesh選項。2.定義旋轉(zhuǎn)區(qū)域和靜止區(qū)域的邊界條件。3.設(shè)置滑移接口，確保兩個區(qū)域之間的連續(xù)性和質(zhì)量守恒。3.44網(wǎng)格自適應(yīng)與優(yōu)化網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)允許在計算過程中自動調(diào)整網(wǎng)格密度，以提高計算精度和效率。網(wǎng)格優(yōu)化則是在網(wǎng)格生成后，通過調(diào)整網(wǎng)格形狀和尺寸來提高網(wǎng)格質(zhì)量。3.4.1示例在模擬一個具有分離流的翼型時，網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)可以自動增加分離點附近的網(wǎng)格密度，以更準確地捕捉流場細節(jié)。在ANSYSFluent中，可以使用以下步驟設(shè)置網(wǎng)格自適應(yīng)：1.在Adapt面板中，選擇SolutionAdaptive選項。2.定義自適應(yīng)標準，如殘差或梯度。3.設(shè)置自適應(yīng)頻率和網(wǎng)格調(diào)整參數(shù)。網(wǎng)格優(yōu)化通常在網(wǎng)格生成后進行，以確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足CFD分析的要求。在ANSYSFluent中，可以使用以下步驟進行網(wǎng)格優(yōu)化：1.使用CheckMesh功能檢查網(wǎng)格質(zhì)量。2.根據(jù)檢查結(jié)果，使用Refine或Coarsen功能調(diào)整網(wǎng)格。3.使用Smooth功能優(yōu)化網(wǎng)格形狀，提高網(wǎng)格質(zhì)量。通過這些高級網(wǎng)格生成技術(shù)，可以顯著提高CFD分析的精度和效率，尤其是在處理復雜幾何和流動條件時。4案例分析與實踐4.11簡單幾何網(wǎng)格生成案例在ANSYSFluent中生成簡單幾何的網(wǎng)格，通常涉及使用其內(nèi)置的網(wǎng)格生成工具來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。下面，我們將通過一個簡單的圓柱體案例來演示這一過程。4.1.1步驟1：導入幾何首先，我們需要在Fluent中導入一個圓柱體的幾何模型。假設(shè)我們已經(jīng)有一個圓柱體的STL文件，我們可以直接在Fluent的前處理器中導入它。4.1.2步驟2：網(wǎng)格劃分接下來，我們將使用Fluent的網(wǎng)格生成工具來劃分網(wǎng)格。對于簡單幾何，我們可以選擇使用六面體網(wǎng)格，因為它們在計算流體力學(CFD)中通常提供更好的精度。4.1.2.1示例代碼#加載FluentPythonAPI

importansys.fluent.coreaspyfluent

#創(chuàng)建Fluent會話

fluent=pyfluent.launch_fluent(precision='double',processor_count=4)

#讀取幾何文件

fluent.file.read(filename="path/to/cylinder.stl")

#設(shè)置網(wǎng)格劃分參數(shù)

fluent.meshing.tetrahedralize(volume="cylinder",size=0.1)

#執(zhí)行網(wǎng)格劃分

fluent.meshing.update()

#查看網(wǎng)格信息

mesh_info=fluent.meshing.get_info()

print(mesh_info)4.1.3步驟3：檢查網(wǎng)格質(zhì)量網(wǎng)格生成后，我們應(yīng)檢查其質(zhì)量，確保沒有扭曲或過小的單元。Fluent提供了多種工具來評估網(wǎng)格質(zhì)量，包括檢查網(wǎng)格的正交性、扭曲度和單元尺寸。4.1.3.1示例代碼#檢查網(wǎng)格質(zhì)量

quality=fluent.meshing.check_quality()

print(quality)4.22復雜幾何網(wǎng)格生成挑戰(zhàn)復雜幾何的網(wǎng)格生成通常更具挑戰(zhàn)性，因為需要處理復雜的邊界和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。例如，一個帶有內(nèi)部葉片的渦輪機葉片，其幾何形狀可能包含多個非平面表面和銳角。4.2.1正確處理復雜邊界對于復雜邊界，我們可能需要使用混合網(wǎng)格，結(jié)合六面體和四面體單元，以確保邊界層的準確捕捉。4.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分需要特別注意，以避免在銳角或狹窄區(qū)域產(chǎn)生質(zhì)量差的單元。4.2.2.1示例代碼#設(shè)置混合網(wǎng)格參數(shù)

fluent.meshing.hybrid(volume="turbine_blade",size=0.05,boundary_layer_thickness=0.001)

#執(zhí)行網(wǎng)格劃分

fluent.meshing.update()

#檢查邊界層網(wǎng)格

boundary_layer_info=fluent.meshing.get_boundary_layer_info()

print(boundary_layer_info)4.33網(wǎng)格質(zhì)量控制實踐網(wǎng)格質(zhì)量控制是確保CFD模擬結(jié)果準確性的關(guān)鍵步驟。在Fluent中，我們可以通過多種方式來控制和