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案例教學(xué) | 流體仿真中SCDM軟件的基本工作流程

2019-02-26 16:11:22·  來源：仿真秀  作者：張楊，仿真秀專欄作者，高級(jí)流體工程師  
　
● 合并表面 
 
實(shí)體的表面上會(huì)有很多特征邊，如果這些邊之間的夾角很尖銳，那么往往會(huì)降低網(wǎng)格的質(zhì)量，合并表面可以去除掉這些尖銳的特征；當(dāng)然，也有改變面形狀的風(fēng)險(xiǎn)，這些可以通過測量功能進(jìn)行定性的判斷。
● 移動(dòng)、對齊、組合等
其他的工具也有使用的時(shí)機(jī)，這和幾何調(diào)整的需求是分不開的，限于篇幅暫不展開介紹。
 
簡化幾何，最為重要的就是目的明確，我們必須要先清楚幾何改變以后的樣子，這樣才能選擇合適的工具，高效的達(dá)成目標(biāo)。
簡化模型的時(shí)機(jī)：
 
簡化模型通常對固體操作，但需要十分清楚哪些固體區(qū)域是需要化簡的（如不與流體區(qū)域接觸的位置，實(shí)際上是不需要簡化的），否則工作量會(huì)大幅增加，且很多操作無效。
 
也可先提取流體區(qū)域，再對流體區(qū)域（實(shí)體幾何模型）進(jìn)行簡化，這種情況通常用于仿真中只包含流體的問題（不算結(jié)構(gòu)換熱）。
需要注意的事，以上的情況只是針對單一使用流體仿真計(jì)算（Fluent或CFX）的問題。多物理場耦合的問題，反而不需要流體與結(jié)構(gòu)幾何完全一致，因?yàn)閳鲩g的數(shù)據(jù)耦合是采用插值的方式處理的。
 
（三）流體區(qū)域
 
通常我們按照上面的兩步操作，可以得到簡化后的實(shí)體模型（大多為固體區(qū)域）。接下來我們需要通過固體區(qū)域來獲取流體區(qū)域，這樣才能完成流體仿真工作。
 
流體區(qū)域的獲取，本質(zhì)上就是實(shí)體間的布爾運(yùn)算操作， 一個(gè)大的的空間減掉固體的區(qū)域，剩下的就是流體的區(qū)域。
當(dāng)然，單純的使用布爾運(yùn)算進(jìn)行流體區(qū)域的獲取可能也沒那么容易。受限于形狀等因素，內(nèi)流場的獲取通常要在布爾運(yùn)算結(jié)束以后進(jìn)行一些切割；外流場的區(qū)域獲取可能工作效率較低。
 
SCDM為了解決這些CFD仿真相關(guān)的問題，提供了流體區(qū)域獲取的簡便方法，分別的是外殼工具和體積抽取工具，對應(yīng)的功能是外流場以及內(nèi)流場。
 
1. 外流場
在外流場獲取的過程中，我們需要注意以下幾個(gè)方面的問題。
● 外流場的形狀
常見的外流場形狀有以下幾種：
★ 長方體
★ 圓柱
★ 球
★ 其他自定義的形狀 
 
 
原則上，外流場只要選取的足夠大，其形狀是不會(huì)影響求解結(jié)果的。
● 對稱面（壁面）的選取
當(dāng)仿真的區(qū)域存在對稱面的時(shí)候，外流場也應(yīng)該保持對稱面的特性（即只能在對稱面的一側(cè)存在流體計(jì)算區(qū)域）。 
 
同對稱面，如當(dāng)仿真區(qū)域中存在壁面時(shí)，也應(yīng)該對外流場區(qū)域產(chǎn)生影響（即此部分的形狀應(yīng)該是確定的）。
● 外流場的特征方向
當(dāng)幾何的軸線（或特征方向）不與坐標(biāo)系一致時(shí)，SCDM中的外殼功能可以快速調(diào)整，使外流場與幾何（而不是坐標(biāo)）對齊。
● 外流場的獨(dú)立性
外流場生成后，會(huì)單獨(dú)的出現(xiàn)在SCDM的結(jié)構(gòu)樹列表中，是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體，并且不會(huì)與內(nèi)部的固體區(qū)域有任何的干涉和縫隙。
該實(shí)體默認(rèn)是半透明的顯示狀態(tài)，方便用戶觀察；且該實(shí)體是獨(dú)立的實(shí)體，可以后續(xù)的進(jìn)行任何關(guān)于實(shí)體的操作（如拉動(dòng)、移動(dòng)、填充、組合等）。
● 外流場自動(dòng)更新
為了能夠?qū)崿F(xiàn)工作效率的提升，SCDM還提供了外流場自動(dòng)更新的功能，用戶可以在更改了固體區(qū)域之后迅速的更新外流場，同時(shí)保持其他的外流場參數(shù)（如形狀、方向、尺寸大小等）不變

2. 內(nèi)流場
SCDM中的內(nèi)流場，并沒有采用通常意義中布爾運(yùn)算的方式進(jìn)行獲取，而是采用了濕壁面擴(kuò)展?再封閉幾何的方法。 
 
詳細(xì)的操作方法按照以下的步驟進(jìn)行：
1.選取固體區(qū)域的進(jìn)出口
2.選取某一個(gè)濕壁面（與流體接觸）
3.預(yù)覽內(nèi)表面
4.生成流體區(qū)域
● 內(nèi)流場的獨(dú)立性
內(nèi)流場生成后，會(huì)單獨(dú)的出現(xiàn)在SCDM的結(jié)構(gòu)樹列表中，是一個(gè)單獨(dú)的實(shí)體，并且不會(huì)與外部的固體區(qū)域有任何的干涉和縫隙。
在生成內(nèi)流場后，外部的固體區(qū)域?qū)⒛J(rèn)轉(zhuǎn)換成為半透明的顯示狀態(tài)，方便用戶觀察；和外流場一樣，生成的內(nèi)流場是獨(dú)立的實(shí)體，可以后續(xù)的進(jìn)行任何關(guān)于實(shí)體的操作（如拉動(dòng)、移動(dòng)、填充、組合等）。
● 內(nèi)流場自動(dòng)更新
為了能夠?qū)崿F(xiàn)工作效率的提升，SCDM還提供了外流場自動(dòng)更新的功能，用戶可以在更改了固體區(qū)域之后迅速的更新外流場，同時(shí)保持其他的內(nèi)流場參數(shù)（如進(jìn)出口、濕壁面等）不變。
SCDM中提供的內(nèi)流場獲取功能是非常強(qiáng)大的，可以快速高效準(zhǔn)確的獲取內(nèi)部流場區(qū)域，同時(shí)也可以查找固體管道區(qū)域的漏水點(diǎn)等問題；當(dāng)然，對于不同的幾何，在獲取內(nèi)流場的過程中會(huì)出現(xiàn)不一樣的問題（主要就是會(huì)導(dǎo)致內(nèi)流場生成失?。?，因此對比外流場的獲取還是有一些額外難度的。這些需要各位工程師在實(shí)踐中不斷的探索和研究，限于篇幅的問題，本文暫不對內(nèi)流場獲取中發(fā)生的問題做相關(guān)的擴(kuò)展介紹。

（四）仿真完善
 
獲取流體區(qū)域之后，我們通常還需要做一些額外的操作；當(dāng)然這些操作的目的各不一致，因此難以統(tǒng)一到一個(gè)單獨(dú)的類別之中，我們就簡單的稱之為仿真完善。
 
當(dāng)我們的仿真僅僅涉及到單體的流體分析（不含多孔介質(zhì)，不含源項(xiàng)等）時(shí)，仿真完善的步驟通?？梢蕴^（最多包含命名）。
當(dāng)需要考慮多個(gè)實(shí)體的流體區(qū)域，或者流固耦合換熱的問題時(shí)，就還需要進(jìn)行多個(gè)步驟的仿真完善相關(guān)工作。
仿真完善大致需要處理一下幾個(gè)步驟：
● 幾何命名
● 幾何參數(shù)化
● 多體分割
● 體間縫隙/干涉
● 共享拓?fù)?/div>
1. 幾何命名
CFD仿真中的邊界（boundary）和體域（cell zone）通常是在前處理階段就確認(rèn)好的，確認(rèn)位置的方式是通過命名來實(shí)現(xiàn)的；對于三維的仿真問題，體域（cell zone）是對實(shí)體進(jìn)行命名，邊界（boundary）是對實(shí)體上的面進(jìn)行命名。 
 
當(dāng)然，我們也可以考慮在畫網(wǎng)格的軟件中進(jìn)行幾何命名，也是可以達(dá)到同樣的目的。
在SCDM中進(jìn)行命名有以下的優(yōu)勢和缺點(diǎn)：
 
優(yōu)勢：具備有強(qiáng)大的選擇功能，可以快速高效選取希望命名的實(shí)體/面，提高工作效率。
缺點(diǎn)：命名不是從幾何（而是網(wǎng)格）直接傳遞給求解器的，因此中間可能會(huì)有一定的誤差。
需要注意的是：對于初學(xué)者，假如使用Workbench Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分，那么命名在兩個(gè)軟件中通常都可以順利完成；對于使用Fluent Meshing劃分網(wǎng)格的中高級(jí)流體工程師而言，建議用SCDM命名，可以極大的提高工作效率。
SCDM進(jìn)行命名的方法非常簡單，只要鼠標(biāo)在選擇狀態(tài)下，在圖形界面中（或結(jié)構(gòu)樹中）選取了一個(gè)或多個(gè)對象（包括點(diǎn)/線/面/實(shí)體等），就可以在創(chuàng)建組的標(biāo)簽欄中進(jìn)行命名。
CFD仿真的命名沒有任何的格式要求，工程師自己可以識(shí)別即可；當(dāng)然，建議使用純英文字符進(jìn)行命名，否則到求解器中可能會(huì)產(chǎn)生亂碼。
 
2. 幾何參數(shù)化
SCDM軟件是支持參數(shù)化建模的，可以針對任意導(dǎo)入的CAD幾何進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置；同時(shí)SCDM中的參數(shù)化設(shè)置可以集成在Workbench中，作為整個(gè)的CFD工作流程的輸入?yún)?shù)。 
當(dāng)然，對于幾何參數(shù)化的相關(guān)功能，我本人是并不推薦大家使用的，原因如下：
① CAE仿真參數(shù)化的目的，大多數(shù)是為了實(shí)現(xiàn)多工況自動(dòng)計(jì)算；而流體仿真的單個(gè)案例，通常會(huì)持續(xù)較長時(shí)間，大多數(shù)處在十幾個(gè)小時(shí)到幾十個(gè)小時(shí)不等。對于這種“長“周期的仿真工程，顯然自動(dòng)化能夠帶來的工作量減小是微乎其微的，通常認(rèn)為是可以忽略的。
② 流體仿真對于網(wǎng)格的要求很高，而幾何尺寸改變后的自動(dòng)體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量往往無法有效控制，以至于難以滿足流體仿真的需求。因此，基于幾何參數(shù)化的自動(dòng)網(wǎng)格生成通常被認(rèn)為是“不靠譜“的。
③ 部分流體求解器的參數(shù)也和幾何尺寸與網(wǎng)格息息相關(guān)，因此參數(shù)化流程可能會(huì)導(dǎo)致多工況中的部分問題求解發(fā)散。
在大多數(shù)行業(yè)中，流體工程師的大部分工作都是在手動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格和測試求解器參數(shù)，因此基于幾何尺寸的參數(shù)化工作往往被認(rèn)為是不高效、不靠譜的，這也是流體仿真模板較少的主要原因。

3. 多體分割
當(dāng)我們希望不同的體在CFD求解器中具備不同的特點(diǎn)（比如多孔介質(zhì)、不同材料的固體）時(shí)，就必須在幾何的環(huán)節(jié)把他們區(qū)分開；否則上在后面的流程中（如網(wǎng)格、求解等）就很難再把他們分開。
結(jié)構(gòu)樹中的多個(gè)體可以命成一個(gè)名字，這樣，他們就會(huì)在求解器中被當(dāng)成單獨(dú)的cell zone對待。

4. 體間縫隙/干涉
 
既然是仿真區(qū)域存在多個(gè)體，那么他們之間就不可避免的會(huì)存在問題，常見的體間問題包含干涉和縫隙。對于干涉問題，SCDM提供自動(dòng)探測干涉區(qū)域并修復(fù)的功能，可以高效的處理多體間的錯(cuò)誤；但對于縫隙問題，難度就很大了，SCDM中僅提供平面間的縫隙檢測（基于實(shí)體）工具，當(dāng)多個(gè)體相鄰的曲面間存在縫隙時(shí)，這是十分讓人頭疼的問題，可能需要更多的高級(jí)功能和軟件之間的配合來解決，限于篇幅，本文暫不做過多介紹。 
5. 共享拓?fù)?/div>
流體仿真中，多個(gè)實(shí)體之間存在公共面，如果沒有網(wǎng)格的相對運(yùn)動(dòng)，則推薦使用共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格。共節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格的優(yōu)勢如下：
★ 更少的計(jì)算時(shí)間
★ 更高的數(shù)值精度
SCDM提供簡單快捷的多體網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)方式“共享拓?fù)?rdquo;，只需要在多個(gè)體的結(jié)構(gòu)樹組件中選擇共享即可。
 共享拓?fù)涞膶?shí)際工作步驟包含兩個(gè)方面：
★ 壓印
★ 網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)
 
（五）幾何輸出
SCDM輸出幾何的標(biāo)準(zhǔn)格式是*.scdoc，在這種格式下，ANSYS其他的網(wǎng)格劃分軟件可以讀取文件中的幾何實(shí)體信息、共享拓?fù)湫畔⒁约巴暾膮?shù)化和命名信息，而且這些信息不會(huì)出現(xiàn)任何錯(cuò)誤（基于ANSYS內(nèi)部的數(shù)據(jù)接口），因此*.scdoc是最為推薦的幾何輸出格式。
 
當(dāng)然，*.scdoc也有他自身的缺點(diǎn)，那就是高版本SCDM軟件儲(chǔ)存的文件，使用低版本的SCDM軟件是無法打開的，大多數(shù)的CAD軟件都有此特點(diǎn)，但CFD流體仿真的文件無這類特點(diǎn)（如.msh\.cas文件等都與版本無關(guān)）。
SCDM還能高效的輸出中立格式的CAD幾何，常見的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等，這一類的格式就與任何軟件的版本無關(guān)了，但它里面也缺失了共享拓?fù)涞男畔?、參?shù)化的信息與命名的信息，當(dāng)然，中立格式的CAD文件是不能確保和ANSYS其他網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行無錯(cuò)數(shù)據(jù)傳遞的。
作者：張楊，仿真秀專欄作者，高級(jí)流體工程師 
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