第05章 fluent网格35.docx

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第05章fluent网格35

网格的读入和使用

FLUENT可以从输入各种类型，各种来源的网格。

你可以通过各种手段对网格进行修改，如：

转换和调解节点坐标系，对并行处理划分单元，在计算区域内对单元重新排序以减少带宽以及合并和分割区域等。

你也可以获取网格的诊断信息，其中包括内存的使用与简化，网格的拓扑结构，解域的信息。

你可以在网格中确定节点、表面以及单元的个数，并决定计算区域内单元体积的最大值和最小值，而且检查每一单元内适当的节点数。

以下详细叙述了FLUENT关于网格的各种功能。

（请参阅网格适应一章以详细了解网格适应的具体内容。

）

网格拓扑结构

FLUENT是非结构解法器，它使用内部数据结构来为单元和表面网格点分配顺序，以保持临近网格的接触。

因此它不需要i，j，k指数来确定临近单元的位置。

解算器不会要求所有的网格结构和拓扑类型，这使我们能够灵活使用网格拓扑结构来适应特定的问题。

二维问题，可以使用四边形网格和三角形网格，三维问题，可以使用六面体、四面体，金字塔形以及楔形单元，具体形状请看下面的图形。

FLUENT可以接受单块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网格。

另外还接受FLUENT有悬挂节点的网格（即并不是所有单元都共有边和面的顶点），有关悬挂节点的详细信息请参阅“节点适应”一节。

非一致边界的网格也可接受（即具有多重子区域的网格，在这个多重子区域内，内部子区域边界的网格节点并不是同一的）。

详情请参阅非一致网格

Figure1:

单元类型

可接受网格拓扑结构的例子

正如网格拓扑结构一节所说，FLUENT可以在很多种网格上解决问题。

图1—11所示为FLUENT的有效网格。

O型网格，零厚度壁面网格，C型网格，一致块结构网格，多块结构网格，非一致网格，非结构三角形，四边形和六边型网格都是有效的。

NotethatwhileFLUENTdoesnotrequireacyclicbranchcutinanO-typegrid，itwillacceptagridthatcontainsone.

Figure1:

机翼的四边形结构网格

Figure2:

非结构四边形网格

Figure3:

多块结构四边形网格

Figure4:

O型结构四边形网格

Figure5:

降落伞的零厚度壁面模拟

Figure6:

C型结构四边形网格

Figure7:

三维多块结构网格

Figure8:

UnstructuredTriangularGridforanAirfoil

Figure9:

非结构四面体网格

Figure10:

具有悬挂节点的混合型三角形/四边形网格

Figure11:

非一致混合网格foraRotor-StatorGeometry

选择适当的网格类型

FLUENT在二维问题中可以使用由三角形、四边形或混合单元组成的网格，在三维问题中可以使用四面体，六面体，金字塔形以及楔形单元，或者两种单元的混合。

网格的选择依赖于具体的问题，在选择网格的时候，你应该考虑下列问题：

●初始化的时间

●计算花费

●数值耗散

后面将会详细讨论各种类型网格的特点。

初始化的时间

很多实际问题是具有复杂几何外形的，对于这些问题采用结构网格或块结构网格可能要花费大量的时间，甚至根本无法得到结构网格。

复杂几何外形初始化时间的限制刺激了人们在非结构网格中使用三角形网格和四面体网格。

然而，如果你的几何外形并不复杂的话，两种方法所耗费的时间没有明显差别

如果你已经有了结构网格代码如FLUENT4生成的网格，那么在FLUENT中使用该网格会比重新生成网格节约大量的时间。

这一特点也刺激了人们在FLUENT仿真中使用四边形网格和六面体网格。

注意：

FLUENT有一个格式转换器允许你从其它程序中读入结构网格。

计算花费

当几何外形太复杂或者流动的长度尺度太大时，三角形网格和四面体网格所生成的单元会比等量的包含四边形网格和六面体网格的单元少得多。

这是因为三角形网格和四面体网格允许单元聚集在流域的所选区域，而四边形网格和六面体网格会在不需要加密的地方产生单元。

非结构的四边形网格和六面体网格为对于一般复杂外形提供了许多三角形和四面体网格的优点。

四边形和六边形单元的一个特点就是它们在某些情况下可以允许比三角形/四面体单元更大的比率。

三角形/四面体单元的大比率总会影响单元的歪斜。

因此，如果你有相对简单的几何外形，而且流动和几何外形很符合，比如长管，你就可以使用大比率的四边形和六边形单元。

这种网格可能会比三角形/四面体网格少很多单元。

数值耗散

多维条件下主要的误差来源就是数值耗散又被称为虚假耗散（之所以被称为虚假的，是因为耗散并不是真实现象，而是它和真实耗散系数影响流动的方式很类似）。

关于数值耗散有如下几点：

●当真实耗散很小时，即对流占主导地位时，数值耗散是显而易见的。

●所有的解决流体问题的数值格式都会有数值耗散，这是因为数值耗散来源于截断误差，截断误差是描述流体流动的离散方程导致的。

●FLUENT中所用的二阶离散格式可以帮助减少解的数值耗散的影响。

●数值耗散量的大小与网格的分辨率成反比。

因此解决数值耗散问题的一个方法就是精化网格。

●当流动和网格成一条直线时数值耗散最小（所以我们才要使用结构网格来计算啊）

最后一点和网格选择最有关系。

很明显，使用三角形/四面体网格流动永远不会和网格成一条直线，而如果几何外形不是很复杂时，四边形网格和六面体网格可能就会实现流动和网格成一条线。

只有在简单的流动，如长管流动中，你才可以使用四边形和六面体网格来减少数值耗散，而且在这种情况下使用四边形和流面体网格有很多优点，因为与三角形/四面体网格相比你可以用更少的单元得到更好的解。

网格所需条件和所要考虑的问题

本节讨论了特殊几何图形和网格的必要条件以及网格质量的一般评价方法。

.

几何图形和网格的必要条件

在计划解决你的问题的开始，应该注意下面的几何图形设定以及网格结构的必要条件。

●对于轴对称图形来说，必须定义笛卡尔坐标系的x轴为旋转轴（Figure1）.

Figure1:

轴对称图形必须以x轴为中线

●周期性边界条件要具有周期性网格，虽然GAMBIT和TGrid能够产生真正的周期性边界，但是GeoMesh和大多数CAD软件包是无法产生周期性边界条件的。

如果下面的条件需要满足的话，TGrid提供了GeoMesh和大多数CAD软件产生的三角形表面网格生成周期性边界的功能。

1.周期及其内部在它们的边界曲线上有相同的节点分布。

2.周期及其内部的节点与常数平动因子和转动因子有关。

详情请见GAMBIT和TGrid的帮助文件。

如果你用GeoMesh和大多数CAD软件产生四边形网格和六面体网格，你必须保证在周期性区域内的网格是相同的。

然后便可以在FLUENT中使用make-periodic命令建立周期性边界。

详细内容请参阅“创建周期性区域”一节。

（你能够在解算器中对三角形或四面体网格创建周期性边界条件而不用上面所述的TGrid来创建）

网格质量

网格质量对计算精度和稳定性有很大的影响。

网格质量包括：

节点分布，光滑性，以及歪斜的角度（skewness）。

节点密度和聚集度

连续性区域被离散化使得流动的特征解（剪切层，分离区域，激波，边界层和混合区域）与网格上节点的密度和分布直接相关。

在很多情况下，关键区域的弱解反倒戏剧化的成了流动的主要特征。

比如：

由逆压梯度造成的分离流强烈的依靠边界层上游分离点的解。

边界层解（即网格近壁面间距）在计算壁面剪切应力和热传导系数的精度时有重要意义。

这一结论在层流流动中尤其准确，网格接近壁面需要满足：

其中

=从临近单元中心到壁面的距离；

=自由流速度；

=流体的动力学粘性系数；

=从边界层起始点开始沿壁面的距离。

上面的方程基于零攻角层流流动的Blasius解[139]。

网格的分辨率对于湍流也十分重要。

由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响。

在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。

一般说来，无流动通道应该用少于5个单元来描述。

大多数情况需要更多的单元来完全解决。

大梯度区域如剪切层或者混合区域，网格必须被精细化以保证相邻单元的变量变化足够小。

不幸的是要提前确定流动特征的位置是很困难的。

而且在复杂三维流动中，网格是要受到CPU时间和计算机资源的限制的。

在解运行时和后处理时，网格精度提高，CPU和内存的需求量也会随之增加。

自适应网格技术可用于在流场的发展基础上提高和/或减少网格密度，并因此而提供了网格使用更为经济的方法。

光滑性

临近单元体积的快速变化会导致大的截断误差。

截断误差是指控制方程偏导数和离散估计之间的差值。

FLUENT可以改变单元体积或者网格体积梯度来精化网格从而提高网格的光滑性

单元的形状

单元的形状（包括单元的歪斜和比率）明显的影响了数值解的精度。

单元的歪斜可以定义为该单元和具有同等体积的等边单元外形之间的差别。

单元的歪斜太大会降低解的精度和稳定性。

比方说：

四边形网格最好的单元就是顶角为90度，三角形网格最好的单元就是顶角为60度。

比率是表征单元拉伸的度量。

正如在计算花费一节所讨论的，对于各向异性流动，过渡的比率可以用较少的单元产生较为精确的结果。

但是一般说来应该尽量避免比率大于5:

1。

流动流场相关性

分辨率、光滑性、单元外形对于解的精度和稳定性的影响强烈的依赖于所模拟的流场。

例如：

在流动开始的区域可以忍受过渡歪斜的网格，但是在具有大流动梯度的区域这一特点可能会使得整个计算无功而返。

因为大梯度区域是无法预先知道的，所以我们只能尽量的使整个流域具有高质量的网格。

网格的读入。

FLUENT能够处理大量的具有不同结构的网格拓扑结构。

因此我们有很多产生网格的工具，比如：

GAMBIT，TGrid，GeoMesh，preBFC，ICEMCFD，I-DEAS，NASTRAN，PATRAN，ARIES，ANSYS，以及其它的前处理器，或者使用FLUENT/UNS，RAMPANT，以及FLUENT4case文件中包含的网格，你也可以准备多个网格文件，然后把它们结合在一起创建一个网格。

GAMBIT网格文件

你可以使用GAMBIT创建二维和三维结构/非结构/混合网格。

详细内容请参阅GAMBIT建模向导，并将你的网格输出为FLUENT5格式。

所有的这样的网格都可以直接读入到FLUENT，菜单：

File/Read/Case...

GeoMesh网格文件

你可以使用GeoMesh创建二维四边形网格或三角形网格以及三维六面体网格和三维四面体网格的三角网格面。

具体请参阅GeoMesh用户向导。

要完成三维四面体网格的创建你必须把表面网格读入到TGrid然后产生体网格。

其它的网格都可以直接读入到FLUENT：

菜单File/Read/Case...。

TGrid网格文件

你可以用TGrid从边界或表面网格产生二维或三维非结构三角形/四面体网格。

具体方法请参阅TGrid用户向导。

在FLUENT中你可以点击File/Write/Mesh...菜单保存网格。

读入网格请点击File/Read/Case...菜单，具体内容参阅读入网格文件一节。

preBFC网格文件

你可以用preBFC产生两种FLUENT所使用的不同类型的网格：

结构四边形/六面体网格和非结构三角形/四面体网格。

下面详细介绍一下。

结构网格文件

要产生二维或者三维结构网格请参阅preBFC用户向导的第六章和第七章。

产生的网格将包括四边形网格（二维）六面体网格（三维）单元。

请记住要指定不多于70个壁面单元和不多于35个入口单元。

读入网格请点击菜单：

File/Import/preBFCStructuredMesh...。

要手动将preBFC格式的网个文件转换到FLUENT格式，请输入以下命令：

tfilterfl42seginputflileoutputfile。

这样输出文件就可以点击菜单File/Read/Case...读入到FLUENT中了

非结构三角形网格和四面体网格文件

产生二维非结构网格请参阅preBFC用户向导的第八章。

并且你可以用MESH-RAMPANT/TGRID命令将网个文件保存为RAMPANT格式，因为目前的FLUENT格式和RAMPANT格式相同。

所产生的网格会包含三角元。

要读入网格点击菜单File/Read/Case...。

要产生三维非结构网格请参阅preBFC用户向导的第八章有关表面网格生成的内容。

然后你可以将表面网格读入到TGrid，在TGRID中完成网格的生成。

更多信息请参阅TGrid网格文件一节。

ICEMCFD网格文件

ICEMCFD可以创建FLUENT4的结构网格和RAMPANT格式的非结构网格。

读入三角形和四面体ICEMCFD体网格，你需要光滑和交换网格以提高该网格的质量。

第三方CAD软件包产生的网格文件

FLUENT可以使用fe2ram格式转换器从其它的CAD软件包读入网格，如：

I-DEAS，NASTRAN，PATRAN，以及ANSYS。

I-DEASUniversal文件

对于该种文件，我们有三种转换方法来使FLUENT读入I-deas文件。

1.你可以使用一个包含三角形、四边形、四面体、楔形或者六面体单元的I-DEAS生成的表面或体网格文件。

用适当的命令并且遵守TGrid用户向导附录B所属的规则可以将它们读入到TGrid中，然后在TGrid中完成网格的生成（必要的话）。

2.你可以用线性的三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生I-DEAS体网格。

然后直接用菜单File/Import/IDEASUniversal...将网格读入FLUENT中。

3.你可以用线性的三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生I-DEAS体网格，然后用格式转换器fe2ram将Universal文件转换为FLUENT格式。

具体转换方法会在相关章节介绍，请参阅相关目录查找。

转换之后的文件可以点击菜单File/Read/Case...读入网格。

FLUENT网格可以识别如下Universal文件的数据表：

节点坐标数据表数15，781，2411。

单元数据表数780或者2412

参数组数据表数752，2417，2429

对于二维体网格，单元必须存在于坐标为常数的z平面。

注意：

网格面积/体积不能被识别。

这意味着将多重网格面积/体积写进一个Universal文件会使FLUENT弄混。

在I-DEAS节点是用Group组织来创建边界表面区域。

在FLUENT中，边界条件被应用到每一个区域。

在同一组中包含节点的表面被集合到单一区域。

因此不要将内部节点和边界节点放到同一组是很重要的。

在曲线上或网格面上自动生成组是一个技巧，这样，在FLUENT中每一个曲线或网格区域都将在不同区域。

你也可以手动创建组，生成的组是由所有和给定的二维曲线或三维网格面相关的节点组成。

用GROUPE命令可以将I-DEAS中的元素组成一组来创建多重单元区域。

在FLUENT中所有的元素组被组织到一起放到同一个单元中。

如果元素未被组织，FLUENT会将所有的单元放到同一区域。

创建网格时，I-DEAS可能会在创建单元时产生两层或者重合节点。

这些节点必须在读入FLUENT之前在I-DEAS中去掉

NASTRAN文件

有三种方法将NASTRAN文件读入FLUENT：

1.你可以使用一个包含三角形、四边形、四面体、楔形或者六面体单元的NASTRAN生成的表面或体网格文件。

用适当的命令并且遵守TGrid用户向导附录B所属的规则可以将它们读入到TGrid中，然后在TGrid中完成网格的生成（必要的话）。

2.你可以用线性三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生NASTRAN体网格。

然后直接用菜单File/Import/NASTRAN..将网格读入FLUENT中。

3.你可以用线性的三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生NASTRAN体网格，然后用格式转换器fe2ram将NASTRAN文件转换为FLUENT格式。

具体转换方法会在相关章节介绍，请参阅相关目录查找。

转换之后的文件可以点击菜单File/Read/Case...读入网格。

用上述第二种或第三种方法读入三角形或四面体NASTRAN体网格时，你需要光滑和交换网格以提高该网格的质量。

FLUENT可以识别下面的NASTRAN文件数据表：

GRID单精度节点坐标

GRID*双精度节点坐标

CBAR线元

CTETRA，CTRIA3四面体和三角元

CHEXA，CQUAD4，CPENTA六面体，四边形和楔形元

对于二维体网格，单元必须是在坐标为常数的z平面。

创建网格时，可能会在创建单元时产生两层或者重合节点。

这些节点必须在读入FLUENT之前在NASTRAN中去掉。

PATRANNeutral文件

该文件输入到FLUENT中有三种方法。

1.你可以使用一个包含三角形、四边形、四面体、楔形或者六面体单元的PATRAN生成的表面或体网格文件。

用适当的命令并且遵守TGrid用户向导附录B所属的规则可以将它们读入到TGrid中，然后在TGrid中完成网格的生成（必要的话）。

2.你可以用线性三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生PATRAN体网格。

然后直接用菜单File/Import/PATRAN...将网格读入FLUENT中。

3.你可以用线性的三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生PATRAN体网格，然后用格式转换器fe2ram将PATRAN文件转换为FLUENT格式。

具体转换方法会在相关章节介绍，请参阅相关目录查找。

转换之后的文件可以点击菜单File/Read/Case...读入网格。

用上述第二种或第三种方法读入三角形或四面体PATRAN体网格时，你需要光滑和交换网格以提高该网格的质量。

FLUENT可以识别下面的PATRAN文件数据表：

节点数据PacketType01

单元数据PacketType02

名字组成PacketType21

对于二维体网格，单元必须是在坐标为常数的z平面。

在PATRAN中，单元是用NamedComponent命令组成一组来创建多重单元区域。

在FLUENT中，所有组在一起的元素都被放在一个单元区域。

如果元素没有被分组，FLUENT会自动把所有的单元放进一个区域。

ANSYSPrep7文件

该文件输入到FLUENT中有三种方法。

1.你可以使用一个包含三角形、四边形、四面体、楔形或者六面体单元的ANSYS或ARIESPATRAN生成的表面或体网格文件。

用适当的命令并且遵守TGrid用户向导附录B所属的规则可以将它们读入到TGrid中，然后在TGrid中完成网格的生成（必要的话）

2.你可以用线性三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生PATRAN体网格。

然后直接用菜单File/Import/ANSYS...将网格读入FLUENT中。

3.你可以用线性的三角形，四边形，四面体，楔形或者六面体单元产生ANSYS体网格，然后用格式转换器fe2ram将ANSYSPrep7文件转换为FLUENT格式。

具体转换方法会在相关章节介绍，请参阅相关目录查找。

转换之后的文件可以点击菜单File/Read/Case...读入网格。

用上述第二种或第三种方法读入三角形或四面体PATRAN体网格时，你需要光滑和交换网格以提高该网格的质量。

FLUENT可以识别下面的Prep7文件数据表：

N节点数据

EN带有单元标志的单元数据

NSEL节点选择

ESEL单元选择

单元必须是STIF63线性内核的单元。

除此之外，如果单元数据没有明显的标志，转换器会在创建区域时假定单元的编号。

使用fe2ram转换器转换文件

如果你打算手动转换CAD文件然后再读入到FLUENT，你可以输入下面的命令：

tfilterfe2ram[dimension]format[zoning]input-fileoutput-file

其中方括号括起来的是可选内容（输入时不要加方括号）。

维数表示数据表的维数。

-d2表示网格是二维的。

如果不输入维数则默认为三维网格。

格式表示你要转换文件的格式-tANSYS表示ANSYS文件，-tIDEAS表示I-DEAS文件，-tNASTRAN表示NASTRAN文件，-tPATRAN表示PATRAN文件。

要检查文件是否是从任何其它的CAD软件包转换来的请输入：

tfilterfe2ram-cl–help。

Zoning表示CAD软件包有多少个区域被标识。

-zID表示区域被正确标识，-zNONE表示忽略所有的区域组。

对于被分组的网格区域，zoning向不需要输入任何东西，因为这种情况是默认的。

input-file和output-file分别为需要转换的文件和转换后的文件名。

例如，你要将二维I-DEAS体网格文件sample.unv转换为sample.grd你就需要键入下面的命令：

tfilterfe2ram-d2-tIDEASsample.unvsample.grd。

FLUENT/UNS和RAMPANT的Case文件

FLUENT/UNS3或4的case文件或者RAMPANT2,3,或4的case文件中的网格可以通过菜单File/Read/Case...读入到FLUENT

FLUENT4Case文件

如果你有FLUENT4Case文件，而且想要在FLUENT仿真中使用相同的文件你可以点击菜单File/Import/FLUENT4Case...，这样FLUENT4case文件的网格信息和区域类型就被读入了。

注意：

FLUENT4可能会在预测压力边界条件方面与目前的FLUENT版本不同。

这个时候需要检查转换信息看看是否需要修改边界类型。

如果要手动转换，可以使用如下命令：

tfilterfl42seginput-filenameoutput-filename。

转换之后你可以点击菜单File/Read/Case...将文件读入到FLUENT。

FIDAP7Neutral文件

如果你有FIDAP7Neutral文件，而且想要在FLUENT仿真中使用相同的文件你可以点击菜单File/Import/FIDAP7...，这样FLUENT4case文件的网格信息和区域类型就被读入了。

如果要手动转换，可以使用如下命令：

tfilterfe2ram[dimension]-tFIDAP7input-fileoutput-file，其中方括号内容是可以选择的-d2表示二维文件，默认为三维。

转换之后你可以点击菜单File/Read/Case...将文件读入到FLUENT。

读入多重网格文件

有些情况下你可能会需要从计算区域读入多重网格文件（子域）。

下面就是一些例子。

●如果你要解多块网格，你可以用网格生成器分别生成每块网格并分别保存

●对于复杂形状来说，分块保存网格效率更高一些

注意：

在分离网格交界处你不必保证网格节点在同一位置。

FLUENT可以处理非一致网格边界。

读入多重网格的步骤如下：

1.在网格生成器中生成整个区域的网格，将每个单元区域保存成一个网格文件

2.如果你所要输入的一个或多个网格是结构网格，你首先要使用转换器fl42seg转换为FLUENT所能识别的格式。

3.在启动解算器之前你要用TGrid或者tmerge转换器将网格合并成一个网格文件。

TGrid方法更为方便，但是tmerg