ICEM CFD
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ANSYS ICEM CFD 是一款流行的專有軟體包，它提供高階的幾何/網格生成以及網格診斷和修復功能，可用於深入分析。它的設計以航空航天、汽車和電氣工程應用為中心，特別關注計算流體動力學和結構分析。 [1] 準確地在幾何複雜構型周圍建立計算網格的能力在分析領域變得越來越重要。 [2]
ANSYS ICEM CFD 提供網格生成，能夠根據使用者需求計算具有各種不同結構的網格。它是一款功能強大且高度可操作的軟體，允許使用者生成高解析度網格。 [3][4] 這是一個要求，因為網格生成本質上是一個依賴幾何的問題，這意味著沒有一種單一的網格劃分方法可以用於每個問題。 ICEM CFD 允許建立以下不同型別的網格結構 [5]
網格劃分方法的簡化概述提供了一個指示，說明如何使用所示的不同階段開始網格劃分過程。
ICEM CFD 提供了一個使用者介面，其中包含多個元件，使網格生成直觀且易於使用，前提是使用者理解其全部功能。使用者介面包含一個完整的環境來建立、修改和管理計算網格
- 主選單：建立/開啟/儲存/關閉專案，幾何/網格/阻塞選項和引數，匯入/匯出模型/幾何/網格
- 用於視覺化目的的實用程式：檢視/縮放/重新整理螢幕，撤消/重做命令，線框/實體簡單顯示
- 分層顯示控制樹：模型，幾何/網格/阻塞/部件
- 用於修改網格的功能選項卡：幾何/網格/阻塞，編輯網格，屬性/約束/負載/FEA 求解器選項，輸出網格
- 選擇工具欄
- 資料輸入區域
- 訊息視窗
- 直方圖視窗
使用者介面視窗也可以在設定選單中個性化。
可以建立或開啟一個預先存在的專案。每個專案將包含一系列檔案型別，具體取決於網格型別和結構。工作目錄中包含的一系列檔案型別是
- 專案設定 (*.prj)：此檔案包含管理專案本身關聯的資料檔案所需的資訊。
- Tetin (*.tin)：此檔案包含幾何元件、材料實體、零件關聯和全域性網格尺寸。
- 網格 (*.uns)：此檔案包含線、殼和體網格元素。殼網格元素包含三角形和四邊形元素，而體網格元素包含六面體、稜錐和稜柱。
- 阻塞 (*.blk)：此檔案包含用於建立結構化網格的框架，以及每個單獨塊的詳細資訊。
- 屬性 (*.atr)(*.fbc)：此檔案包含在任何邊、面或頂點關聯期間指定的依賴網格的資料，以及零件、元素屬性、負載和網格約束的資料。
- 引數 (*.par)：此檔案包含網格無關資料，例如材料屬性、區域性座標和執行引數。然後將此資料傳遞到屬性檔案。
- 笛卡爾座標 (*.crt)：此檔案包含關於笛卡爾座標網格的資訊。因此，這僅在笛卡爾座標網格中才會出現。
- 日誌 (*.jrf)：此檔案包含執行的操作記錄。
- 重播 (*.rpl)：此檔案包含重播指令碼。
ICEM CFD 允許使用它自己的幾何拓撲軟體包建立幾何，或透過外部 CAD 軟體匯入幾何。對於簡單的幾何體，前者往往被使用，而對於更復雜的幾何體，後者通常被使用。無論哪種方式，都應該使用幾何分析來檢查幾何，以確保模型包含封閉體積，這意味著幾何中沒有孔洞或間隙，這樣一來，在後面的過程中就不會出現負體積元素。外部求解器不允許出現負體積元素。這些元素可能是由於幾何和網格劃分公差之間的差異而產生的。因此，ICEM CFD 強調建立一個具有“水密”幾何的網格。這意味著如果區域內部有水源，則水應被包含，並且不會從 BODY 中洩漏出來。
除了常規的點、曲線、表面建立和編輯工具外，ICEM CFD 尤其具有執行 BUILD TOPOLOGY 的功能，它可以刪除不需要的表面，然後您可以檢視要網格劃分的區域是否存在任何“孔洞”。孔洞的存在意味著生成網格的演算法將導致網格“洩漏”到域外。孔洞通常透過曲線的顏色來識別。以下是執行 BUILD TOPOLOGY 選項後 ICEM CFD 中的顏色編碼
- 黃色：連線到單個表面的曲線
- 紅色：由兩個表面共享的曲線
- 藍色：由兩個以上表面共享的曲線。
- 綠色：未連線到任何表面的曲線
然後需要在構建拓撲後進行分析，如果很明顯一條曲線應該與兩個表面共享，但顯示為黃色，則存在孔洞，並且很可能存在網格劃分問題。
可能包括點、曲線和表面的幾何實體也必須與給定的零件相關聯。然後，每個零件都可以被控制用於網格劃分、視覺化或各種其他目的，並且儲存在前面提到的 tetin 檔案中。
關於結構化/非結構化網格、網格劃分演算法和求解器，通常存在一些誤解。 [12] 網格可能看起來像結構化網格，但可能不是使用基於結構化演算法的工具建立的。例如，GAMBIT 是一個非結構化網格劃分工具。因此，即使它透過在幾何分解方面付出艱苦的努力建立了一個看起來像結構化（單塊或多塊）網格的網格，所使用的演算法仍然是非結構化的。最重要的是，大多數流行的 CFD 工具，例如：ANSYS FLUENT、ANSYS CFX、Star CCM+、OpenFOAM、AxSTREAM CFD 等，都是非結構化求解器。即使提供了使用基於結構化/非結構化演算法的網格劃分工具建立的看起來像結構化的網格，非結構化求解器也只能在非結構化網格上工作。 ANSYS ICEM CFD 可以使用結構化或非結構化演算法生成結構化和非結構化網格，這些網格可以分別作為結構化和非結構化求解器的輸入。
結構化或非結構化網格的分類僅透過網格的簿記來區分。在結構化網格表示中，我們使用索引 i、j、k 來定位節點。我們知道如果網格線由 i=2 表示，則下一條網格線為 i=3，下一條為 i=4，依此類推。但在非結構化表示中，我們使用節點編號、單元編號等。單元 5 可能與單元 4 相鄰，單元 6 不必與單元 4 或 5 相鄰。它可以在域中的任何地方。可以用節點編號、單元編號等表示由 i、j、k 索引表示的相同網格。現在，以前結構化網格以非結構化網格格式編寫。但四面體非結構化網格不能用 i、j、k 等索引表示。
此處插入兩種型別的示例。
基於使用者建立或匯入的幾何體，非結構化網格生成建立四面體體積網格。非結構化網格生成能夠使用不同的網格生成演算法來生成表面和體積網格，並結合功率平滑演算法來區域性調整網格，以提高網格質量。
現在將考慮非結構化網格生成過程
- 建立/匯入幾何體
- 修復幾何體，確保封閉體積
- 確定全域性網格生成引數
- 指定零件網格設定
- 指定曲線和表面網格大小
- 計算網格
然後，可以透過新增稜柱層、區域細化、基於曲率/鄰近度的細化等，進一步細化網格，而無需重新計算整個網格，只需基於現有網格計算網格即可。這允許迭代地改進和更新網格，以實現高質量的網格解析度。
使用非結構化網格生成方法時，最重要的是確定哪種網格生成演算法最適合該問題。ICEM 支援四種不同的網格生成演算法來生成非結構化網格：魯棒（八叉樹）、快速（Delaunay）、平滑（推進前沿）和 Fluent 網格生成。它們列為四面體/混合，因為每種方法都包括在四面體體積網格中新增稜柱單元邊界層的可能性。如前所述，雖然包含稜柱單元，但由於索引的方向，網格仍然被認為是非結構化的。
魯棒（八叉樹）方法[13]首先生成體積網格，然後生成表面網格。這使用了一種與補丁無關的方法，這意味著不需要現有的表面，因為一個在八叉樹過程中生成。
快速（Delaunay）方法[14]首先生成表面網格，然後生成體積網格。因此，此過程使用了一種與補丁相關的 方法，因為它在使用 Delaunay 四面體演算法時需要一個封閉的表面。如果幾何體沒有封閉的體積，則此網格生成方法將自動使用全域性網格生成引數建立表面。
平滑（推進前沿）方法[15]類似於快速（Delaunay）方法，首先生成表面網格，然後生成體積網格。然而，平滑（推進前沿）方法在表面單元到體積單元的過渡中產生了更平滑的過渡。因此，這也將需要相對較高的網格質量才能在不出現故障的情況下進行網格生成。表面網格應該是一個封閉的體積，沒有元素大小的突然變化，並且沒有單個邊、多個邊、非流形頂點、重疊元素或重複元素。
Fluent 網格生成方法以批處理方式生成網格。如果在批處理過程開始之前不存在封閉的體積表面，它將建立一個表面網格，然後啟動 Fluent 批處理網格生成方法。它還允許在零件基礎上從表面建立體積網格。此外，可以使用其預膨脹或後膨脹稜柱建立來建立可選的稜柱層。預膨脹稜柱生成首先從現有表面網格建立邊界層，然後生成體積網格。後膨脹稜柱生成首先建立體積網格，然後用稜柱單元替換表面處的四面體體積單元。如果該網格在表面處高度傾斜，則後膨脹方法將無法建立稜柱單元。Fluent 網格生成還允許控制遠離表面的單元的擴充套件比，這直接影響體積網格的大小。
使用結構化網格生成，生成結構化網格所需的步驟基本相同，無論模型的複雜性如何。初始化塊建立一個包圍整個幾何體的塊。然後，該塊被修改成一系列塊拓撲，這些拓撲體現了模型幾何體的形狀。這被稱為對幾何體進行分塊。這些修改可以透過將塊拆分成更小的子塊、將子塊合併成整個塊以及 O 網格操作（將塊拆分成圓形“O”型形狀）來完成。拆分塊可以應用於整個塊，也可以僅應用於單個面或邊。合併還可以合併塊的面或邊以及整個塊。建立 O 網格是一種強大的技術，用於實現圍繞物體的區域性 O 型塊形狀，而沒有這種技術，這是不可能的。重要的是，O 網格不能在以後合併在一起，因為索引方向在 O 型塊周圍不相同。當考慮非常複雜的幾何體時，O 型塊結構特別有用。每個塊都包含幾何資料和塊拓撲資料。幾何資料包含：具有 x、y 和 z 位置的點、曲線和表面。六面體塊拓撲資料包含：每個六面體至少有八個頂點，它們是塊的角點。每個面有四個邊，每個塊有十二個邊。每個塊有六個面。因此，每個塊體積都由頂點、邊和麵組成。
現在將考慮結構化網格生成過程
- 建立/匯入幾何體。
- 根據幾何體維度初始化分塊
- 使用拆分、合併、O 網格定義生成塊結構。
- 將頂點與點關聯，將邊與曲線關聯，並將塊面與幾何體面關聯。
- 檢查塊結構質量，以確保塊模型滿足指定的質量閾值。
- 確定邊網格生成引數，並使用間距 1 或間距 2 在特定區域增加網格密度。
- 使用預網格更新網格
- 在網格生成後檢查網格的單元質量。
- 透過右鍵單擊重新計算網格將結構化網格轉換為子結構化網格
- 將輸出檔案寫入所需求解器，如 Ansys Fluent 或 Star CCM
如果出現任何問題，可以隨時儲存分塊結構，並可以恢復到以前的分塊拓撲。
不關聯頂點、邊和麵不是問題，因為這不會直接導致網格生成求解器失敗，但這確實意味著塊將不會遵循任何預定義的使用者幾何體。
以下是可以使用 ANSYS ICEM CFD 實現的不同多塊策略。
這些策略也可以組合用於混合塊設計，例如 C-H 網格型別。
ICEM CFD 允許使用者將網格匯出為各種不同的格式，以與其他外部求解器相容。網格拓撲、關聯的零件、邊界條件和載荷都應該在這個階段之前預先定義。一些可能的受支援的輸出求解器是
ICEM CFD 文件可以在主選單的“幫助”選項卡中找到。在這裡，您可以找到 ICEM CFD 文件，其中包括使用 ICEM CFD 產品所需的程式、命令、元素和理論詳細資訊。
ANSYS ICEM CFD 幫助手冊包含有關使用 ANSYS ICEM CFD 的資訊，其中包括其使用者功能的完整描述。[25]
ANSYS ICEM CFD 使用者手冊包含設定問題和網格生成選項所需的理論知識。[26]
ICEM CFD 教程包含許多示例測試用例，這些用例可用於學習從簡單問題到使用各種網格生成方法的更復雜問題的各種問題。[27]
ANSYS ICEM CFD 程式設計師指南包含對程式中可用文字命令的完整描述。
- ↑ Ansys, Inc. 公司歷史國際目錄。115. 聖詹姆斯出版社。第 23-25 頁。 ISBN 1558627782
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