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(rèn)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(shí)，實(shí)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(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)，以及三角面法線方向。其均采用笛卡爾坐標(biāo)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(gè)面資料以一個(gè)單位法向量（Normalvector）以及三個(gè)頂點(diǎn)（vertices）坐標(biāo)來表示。因此是以12個(gè)數(shù)字來代表一個(gè)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(jìn)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(rèn)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(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)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(gè)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(rèn)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(jìn)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(biāo)檔以及網(wǎng)格關(guān)連檔。在水利行業(yè)設(shè)定時(shí)，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(gè)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(gè)Component內(nèi)僅可以設(shè)定一種材料與運(yùn)動(dòng)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(jì)算網(wǎng)格以節(jié)省內(nèi)存容量及提高求解運(yùn)算時(shí)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(gè)計(jì)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(yùn)動(dòng)性質(zhì)設(shè)成同一個(gè)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(huì)產(chǎn)生不同的幾何效果注意圖形導(dǎo)入順序SolidHoleSolidHole如果兩個(gè)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(zhǎng)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(dòng)位置Subcomponents的基本操作觀察幾何鼠標(biāo)左鍵：旋轉(zhuǎn)鼠標(biāo)中鍵：放大/縮小鼠標(biāo)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(shí)建議將單位轉(zhuǎn)換至CGS制。1mm=0.1cm，因此單位轉(zhuǎn)換時(shí)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(cuò)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(huì)被填滿一些微小的異常特征會(huì)被平滑處理STL圖形問題MiniMagics

是FLOW-3D所提供的免費(fèi)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(cuò)誤訊息，進(jìn)行修復(fù)工作（僅能簡(jiǎn)單修補(bǔ)）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(bǔ)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(bǔ)變換三解網(wǎng)格法線向量移除面積為零三角網(wǎng)格增補(bǔ)短缺的三角網(wǎng)格三角面缺失嚴(yán)重的圖問題無法利用pyADMesh

修補(bǔ)利用pyADMesh

進(jìn)行STL圖形修補(bǔ)與轉(zhuǎn)換內(nèi)定的選項(xiàng)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(cè)通過某段面的水流流量與計(jì)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(cè)流量，完全不影響水流運(yùn)動(dòng)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(gè)subcomponents組成Subcomponents可以是solids,holes或complements每個(gè)component僅有一種材料與運(yùn)動(dòng)性質(zhì)Subcomponents的建立方式有：內(nèi)建簡(jiǎn)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(diǎn)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(shí)，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(zhǔn)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(huì)自動(dòng)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(duì)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(gè)網(wǎng)格塊操作多個(gè)網(wǎng)格設(shè)定的基本原則利用固定點(diǎn)減少相連網(wǎng)格區(qū)塊間的計(jì)算錯(cuò)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(shí)，會(huì)顯示多個(gè)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(gè)格點(diǎn)才可以描述幾何存在幾何角點(diǎn)“Corners”如果位于格點(diǎn)中間，角點(diǎn)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(duì)幾何解析度的影響網(wǎng)格建立重點(diǎn)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(shí)，相鄰的網(wǎng)格尺寸比例建議不要超過1.25。在流場(chǎng)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(jì)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(diǎn)網(wǎng)格區(qū)塊數(shù)量越少越好；每增加一個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，至少會(huì)增加一個(gè)需要迭代的邊界。不必要的網(wǎng)格區(qū)塊會(huì)增加迭代可能造成的數(shù)值誤差以及增加計(jì)算時(shí)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(chǎng)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(chǎng)平緩的區(qū)域。在網(wǎng)格區(qū)塊的連接位置，以FixedPoint確認(rèn)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(biāo)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(biāo)調(diào)整網(wǎng)格大小調(diào)整步長(zhǎng)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(huì)根據(jù)指定的條件，在X,Y,Z三方向進(jìn)行網(wǎng)格切割網(wǎng)格數(shù)量網(wǎng)格劃分注意事項(xiàng)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(gè)（凝固模擬采用一個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊）。一般而言，網(wǎng)格區(qū)塊最多不宜超過五個(gè)。如果采用多個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動(dòng)復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動(dòng)平緩的位置進(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格建立，必須強(qiáng)制邊界對(duì)齊。1、采用多個(gè)網(wǎng)格區(qū)塊，不要在流動(dòng)復(fù)雜的位置做切割（盡可能在流動(dòng)平緩的位置進(jìn)行切割）

2、增加適合的節(jié)點(diǎn)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(biāo)輸入的方式進(jìn)行網(wǎng)格建立先取得相對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值單擊右鍵12對(duì)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(gè)方向一分為二，或更多Multi-Block

設(shè)定重點(diǎn)由于每個(gè)

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(shí)，計(jì)算會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，可能會(huì)有計(jì)算收斂的問題。Block2Block1以增加點(diǎn)方式控制網(wǎng)格尺寸X=-0.4在每個(gè)『

MeshBlock』相接處以『AddPoint』設(shè)定，可以讓邊界的計(jì)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