ICEM CFD
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ANSYS ICEM CFD 是一款流行的专有软件包，它提供高级的几何/网格生成以及网格诊断和修复功能，可用于深入分析。它的设计以航空航天、汽车和电气工程应用为中心，特别关注计算流体动力学和结构分析。 [1] 准确地在几何复杂构型周围创建计算网格的能力在分析领域变得越来越重要。 [2]
ANSYS ICEM CFD 提供网格生成，能够根据用户需求计算具有各种不同结构的网格。它是一款功能强大且高度可操作的软件，允许用户生成高分辨率网格。 [3][4] 这是一个要求，因为网格生成本质上是一个依赖几何的问题，这意味着没有一种单一的网格划分方法可以用于每个问题。 ICEM CFD 允许创建以下不同类型的网格结构 [5]
网格划分方法的简化概述提供了一个指示，说明如何使用所示的不同阶段开始网格划分过程。
ICEM CFD 提供了一个用户界面，其中包含多个组件，使网格生成直观且易于使用，前提是用户理解其全部功能。用户界面包含一个完整的环境来创建、修改和管理计算网格
- 主菜单：创建/打开/保存/关闭项目，几何/网格/阻塞选项和参数，导入/导出模型/几何/网格
- 用于可视化目的的实用程序：查看/缩放/刷新屏幕，撤消/重做命令，线框/实体简单显示
- 分层显示控制树：模型，几何/网格/阻塞/部件
- 用于修改网格的功能选项卡：几何/网格/阻塞，编辑网格，属性/约束/负载/FEA 求解器选项，输出网格
- 选择工具栏
- 数据输入区域
- 消息窗口
- 直方图窗口
用户界面窗口也可以在设置菜单中个性化。
可以创建或打开一个预先存在的项目。每个项目将包含一系列文件类型，具体取决于网格类型和结构。工作目录中包含的一系列文件类型是
- 项目设置 (*.prj)：此文件包含管理项目本身关联的数据文件所需的信息。
- Tetin (*.tin)：此文件包含几何组件、材料实体、零件关联和全局网格尺寸。
- 网格 (*.uns)：此文件包含线、壳和体网格元素。壳网格元素包含三角形和四边形元素，而体网格元素包含六面体、棱锥和棱柱。
- 阻塞 (*.blk)：此文件包含用于创建结构化网格的框架，以及每个单独块的详细信息。
- 属性 (*.atr)(*.fbc)：此文件包含在任何边、面或顶点关联期间指定的依赖网格的数据，以及零件、元素属性、负载和网格约束的数据。
- 参数 (*.par)：此文件包含网格无关数据，例如材料属性、局部坐标和运行参数。然后将此数据传递到属性文件。
- 笛卡尔坐标 (*.crt)：此文件包含关于笛卡尔坐标网格的信息。因此，这仅在笛卡尔坐标网格中才会出现。
- 日志 (*.jrf)：此文件包含执行的操作记录。
- 重播 (*.rpl)：此文件包含重播脚本。
ICEM CFD 允许使用它自己的几何拓扑软件包创建几何，或通过外部 CAD 软件导入几何。对于简单的几何体，前者往往被使用，而对于更复杂的几何体，后者通常被使用。无论哪种方式，都应该使用几何分析来检查几何，以确保模型包含封闭体积，这意味着几何中没有孔洞或间隙，这样一来，在后面的过程中就不会出现负体积元素。外部求解器不允许出现负体积元素。这些元素可能是由于几何和网格划分公差之间的差异而产生的。因此，ICEM CFD 强调创建一个具有“水密”几何的网格。这意味着如果区域内部有水源，则水应被包含，并且不会从 BODY 中泄漏出来。
除了常规的点、曲线、表面创建和编辑工具外，ICEM CFD 尤其具有执行 BUILD TOPOLOGY 的功能，它可以删除不需要的表面，然后您可以查看要网格划分的区域是否存在任何“孔洞”。孔洞的存在意味着生成网格的算法将导致网格“泄漏”到域外。孔洞通常通过曲线的颜色来识别。以下是执行 BUILD TOPOLOGY 选项后 ICEM CFD 中的颜色编码
- 黄色：连接到单个表面的曲线
- 红色：由两个表面共享的曲线
- 蓝色：由两个以上表面共享的曲线。
- 绿色：未连接到任何表面的曲线
然后需要在构建拓扑后进行分析，如果很明显一条曲线应该与两个表面共享，但显示为黄色，则存在孔洞，并且很可能存在网格划分问题。
可能包括点、曲线和表面的几何实体也必须与给定的零件相关联。然后，每个零件都可以被控制用于网格划分、可视化或各种其他目的，并且存储在前面提到的 tetin 文件中。
关于结构化/非结构化网格、网格划分算法和求解器，通常存在一些误解。 [12] 网格可能看起来像结构化网格，但可能不是使用基于结构化算法的工具创建的。例如，GAMBIT 是一个非结构化网格划分工具。因此，即使它通过在几何分解方面付出艰苦的努力创建了一个看起来像结构化（单块或多块）网格的网格，所使用的算法仍然是非结构化的。最重要的是，大多数流行的 CFD 工具，例如：ANSYS FLUENT、ANSYS CFX、Star CCM+、OpenFOAM、AxSTREAM CFD 等，都是非结构化求解器。即使提供了使用基于结构化/非结构化算法的网格划分工具创建的看起来像结构化的网格，非结构化求解器也只能在非结构化网格上工作。 ANSYS ICEM CFD 可以使用结构化或非结构化算法生成结构化和非结构化网格，这些网格可以分别作为结构化和非结构化求解器的输入。
结构化或非结构化网格的分类仅通过网格的簿记来区分。在结构化网格表示中，我们使用索引 i、j、k 来定位节点。我们知道如果网格线由 i=2 表示，则下一条网格线为 i=3，下一条为 i=4，依此类推。但在非结构化表示中，我们使用节点编号、单元编号等。单元 5 可能与单元 4 相邻，单元 6 不必与单元 4 或 5 相邻。它可以在域中的任何地方。可以用节点编号、单元编号等表示由 i、j、k 索引表示的相同网格。现在，以前结构化网格以非结构化网格格式编写。但四面体非结构化网格不能用 i、j、k 等索引表示。
此处插入两种类型的示例。
基于用户创建或导入的几何体，非结构化网格生成创建四面体体积网格。非结构化网格生成能够使用不同的网格生成算法来生成表面和体积网格，并结合功率平滑算法来局部调整网格，以提高网格质量。
现在将考虑非结构化网格生成过程
- 创建/导入几何体
- 修复几何体，确保封闭体积
- 确定全局网格生成参数
- 指定零件网格设置
- 指定曲线和表面网格大小
- 计算网格
然后，可以通过添加棱柱层、区域细化、基于曲率/邻近度的细化等，进一步细化网格，而无需重新计算整个网格，只需基于现有网格计算网格即可。这允许迭代地改进和更新网格，以实现高质量的网格分辨率。
使用非结构化网格生成方法时，最重要的是确定哪种网格生成算法最适合该问题。ICEM 支持四种不同的网格生成算法来生成非结构化网格：鲁棒（八叉树）、快速（Delaunay）、平滑（推进前沿）和 Fluent 网格生成。它们列为四面体/混合，因为每种方法都包括在四面体体积网格中添加棱柱单元边界层的可能性。如前所述，虽然包含棱柱单元，但由于索引的方向，网格仍然被认为是非结构化的。
鲁棒（八叉树）方法[13]首先生成体积网格，然后生成表面网格。这使用了一种与补丁无关的方法，这意味着不需要现有的表面，因为一个在八叉树过程中生成。
快速（Delaunay）方法[14]首先生成表面网格，然后生成体积网格。因此，此过程使用了一种与补丁相关的 方法，因为它在使用 Delaunay 四面体算法时需要一个封闭的表面。如果几何体没有封闭的体积，则此网格生成方法将自动使用全局网格生成参数创建表面。
平滑（推进前沿）方法[15]类似于快速（Delaunay）方法，首先生成表面网格，然后生成体积网格。然而，平滑（推进前沿）方法在表面单元到体积单元的过渡中产生了更平滑的过渡。因此，这也将需要相对较高的网格质量才能在不出现故障的情况下进行网格生成。表面网格应该是一个封闭的体积，没有元素大小的突然变化，并且没有单个边、多个边、非流形顶点、重叠元素或重复元素。
Fluent 网格生成方法以批处理方式生成网格。如果在批处理过程开始之前不存在封闭的体积表面，它将创建一个表面网格，然后启动 Fluent 批处理网格生成方法。它还允许在零件基础上从表面创建体积网格。此外，可以使用其预膨胀或后膨胀棱柱创建来创建可选的棱柱层。预膨胀棱柱生成首先从现有表面网格创建边界层，然后生成体积网格。后膨胀棱柱生成首先创建体积网格，然后用棱柱单元替换表面处的四面体体积单元。如果该网格在表面处高度倾斜，则后膨胀方法将无法创建棱柱单元。Fluent 网格生成还允许控制远离表面的单元的扩展比，这直接影响体积网格的大小。
使用结构化网格生成，生成结构化网格所需的步骤基本相同，无论模型的复杂性如何。初始化块创建一个包围整个几何体的块。然后，该块被修改成一系列块拓扑，这些拓扑体现了模型几何体的形状。这被称为对几何体进行分块。这些修改可以通过将块拆分成更小的子块、将子块合并成整个块以及 O 网格操作（将块拆分成圆形“O”型形状）来完成。拆分块可以应用于整个块，也可以仅应用于单个面或边。合并还可以合并块的面或边以及整个块。创建 O 网格是一种强大的技术，用于实现围绕物体的局部 O 型块形状，而没有这种技术，这是不可能的。重要的是，O 网格不能在以后合并在一起，因为索引方向在 O 型块周围不相同。当考虑非常复杂的几何体时，O 型块结构特别有用。每个块都包含几何数据和块拓扑数据。几何数据包含：具有 x、y 和 z 位置的点、曲线和表面。六面体块拓扑数据包含：每个六面体至少有八个顶点，它们是块的角点。每个面有四个边，每个块有十二个边。每个块有六个面。因此，每个块体积都由顶点、边和面组成。
现在将考虑结构化网格生成过程
- 创建/导入几何体。
- 根据几何体维度初始化分块
- 使用拆分、合并、O 网格定义生成块结构。
- 将顶点与点关联，将边与曲线关联，并将块面与几何体面关联。
- 检查块结构质量，以确保块模型满足指定的质量阈值。
- 确定边网格生成参数，并使用间距 1 或间距 2 在特定区域增加网格密度。
- 使用预网格更新网格
- 在网格生成后检查网格的单元质量。
- 通过右键单击重新计算网格将结构化网格转换为子结构化网格
- 将输出文件写入所需求解器，如 Ansys Fluent 或 Star CCM
如果出现任何问题，可以随时保存分块结构，并可以恢复到以前的分块拓扑。
不关联顶点、边和面不是问题，因为这不会直接导致网格生成求解器失败，但这确实意味着块将不会遵循任何预定义的用户几何体。
以下是可以使用 ANSYS ICEM CFD 实现的不同多块策略。
这些策略也可以组合用于混合块设计，例如 C-H 网格类型。
ICEM CFD 允许用户将网格导出为各种不同的格式，以与其他外部求解器兼容。网格拓扑、关联的零件、边界条件和载荷都应该在这个阶段之前预先定义。一些可能的受支持的输出求解器是
ICEM CFD 文档可以在主菜单的“帮助”选项卡中找到。在这里，您可以找到 ICEM CFD 文档，其中包括使用 ICEM CFD 产品所需的程序、命令、元素和理论详细信息。
ANSYS ICEM CFD 帮助手册包含有关使用 ANSYS ICEM CFD 的信息，其中包括其用户功能的完整描述。[25]
ANSYS ICEM CFD 用户手册包含设置问题和网格生成选项所需的理论知识。[26]
ICEM CFD 教程包含许多示例测试用例，这些用例可用于学习从简单问题到使用各种网格生成方法的更复杂问题的各种问题。[27]
ANSYS ICEM CFD 程序员指南包含对程序中可用文本命令的完整描述。
- ↑ Ansys, Inc. 公司历史国际目录。115. 圣詹姆斯出版社。第 23-25 页。 ISBN 1558627782
- ↑ Wulf, A. 和 Akdag, V.，1995。使用 ICEM CFD 进行调谐网格生成。
- ↑ ICEM，C.，2012。版本 14.0。 ANSYS Inc., Southpointe, 275。
- ↑ Ansys，I.C.E.M.，2015。CFD。 ICEM CFD 理论指南，Ansys inc。
- ↑ Frey, P.J. 和 George, P.L.，2008。网格生成：有限元应用。伦敦：ISTE。
- ↑ Badcock, K.J.，Richards, B.E. 和 Woodgate, M.A.，2000。基于块结构网格的计算流体动力学要素使用隐式求解器。航空航天科学进展，36(5-6)，pp.351-392。
- ↑ Rantakokko, J.，2000。结构化多块网格的划分策略。并行计算，26(12)，pp.1661-1680。
- ↑ Venkatakrishnan, V.，1995。欧拉方程在非结构化网格上使用限制器收敛到稳态解。计算物理学杂志，118(1)，pp.120-130。
- ↑ Löhner, R. 和 Parikh, P.，1988。使用推进前沿方法生成三维非结构化网格。数值流体力学国际期刊，8(10)，pp.1135-1149。
- ↑ Gerhold, T.，2005。混合RANS代码TAU概述。在MEGAFLOW-飞机设计数值流场模拟（pp. 81-92）中。施普林格，柏林，海德堡。
- ↑ Moinier, P.，M-uacute, J.D.，ller 和 Giles, M.B.，2002。混合网格的基于边的多重网格和预处理。AIAA杂志，40(10)，pp.1954-1960。
- ↑ Owen, S.J.，1998年10月。非结构化网格生成技术的综述。在IMR（pp. 239-267）中。
- ↑ Baehmann, P.L.，Wittchen, S.L.，Shephard, M.S.，Grice, K.R. 和 Yerry, M.A.，1987。稳健的基于几何的二维自动网格生成。数值方法工程国际期刊，24(6)，pp.1043-1078。
- ↑ Shewchuk, J.R.，1996。三角形：工程二维质量网格生成器和Delaunay三角剖分器。在应用计算几何学走向几何工程（pp. 203-222）中。施普林格，柏林，海德堡。
- ↑ Schöberl, J.，1997。NETGEN基于抽象规则的推进前沿二维/三维网格生成器。科学计算与可视化，1(1)，pp.41-52。
- ↑ Khalid, M. 和 Jones, D.J.，1993。使用O网格的钝后缘翼型Navier-Stokes研究。飞机杂志，30(5)，pp.797-800。
- ↑ Ringler, T.D.，Thuburn, J.，Klemp, J.B. 和 Skamarock, W.C.，2010。任意结构化C网格能量守恒和势涡动力学统一方法。计算物理学杂志，229(9)，pp.3065-3090。
- ↑ Griffin, L.W.，Huber, F.W. 和 Sharma, O.P.，1995年6月。通过叶片索引提高性能：第2部分-数值模拟。在1995年ASME国际燃气轮机和航空发动机大会及展览（pp. V001T01A002-V001T01A002）中。美国机械工程师协会。
- ↑ Ansys, C.F.X.，2006。求解器理论指南。Ansys CFX发行版，11，pp.1996-2006。
- ↑ Fluent, A.，2009。12.0用户指南。Ansys Inc。
- ↑ Fluent, A.，2009。12.0理论指南。Ansys Inc，5(5)。
- ↑ Poirier, D.，Allmaras, S.，McCarthy, D.，Smith, M. 和 Enomoto, F.，1998。CGNS系统。在第29届AIAA流体力学会议（p. 3007）中。
- ↑ Walatka, P.P.，Buning, P.G.，Pierce, L. 和 Elson, P.A.，1990。PLOT3D用户手册。
- ↑ Guide, U.，2009。Star-CCM+ 4.04版。11。CD adapco。
- ↑ ANSYS, I. 和 ANSYS, I.，2012。CFD帮助手册。ANSYS, Inc., Canonsburg, PA。
- ↑ ICEM, C.，11.0，2007。用户手册，Ansys Inc, Canonsburg, PA。
- ↑ ANSYS, I.C.，2007。11.0教程手册。Ansys Inc。