流體仿真中SCDM軟件的基本工作流程

流體仿真中SCDM軟件的基本工作流程

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ANSYS SpaceClaim Direct Modeler(簡稱 SCDM)是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件。SCDM可以顯著地縮短產品設計周期,大幅提升CAE分析的模型處理質量和效率,為用戶帶來全新的產品設計體驗。

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SCDM提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式,可以對現有的模型進行動態的參數化調整,使得對基于特征建模的CAD系統不熟悉的產品研發工程師可以快速建立或者修改3D幾何模型,在產品的設計初期即可對產品性能進行仿真。

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SCDM基于直接建模思想的集成工作環境使工程與設計人員能夠以最直觀的方式進行工作,可以輕松地對模型進行操作以解決實際工程問題。使用者不必承受模型再生失敗而帶來的成本困擾,無需考慮錯綜復雜如迷宮般的關聯關系。

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SCDM作為ANSYS軟件體系中幾何建模工具的重要組成部分,適合于多種數據來源的CAD模型的快速修改、非參數化中性CAD模型的參數化,進而最大程度地支持設計優化,同時其本身提供了操作簡潔直觀的幾何建模功能,適合于CAE仿真模型的快速建立。

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SCDM集成于ANSYS Workbench平臺,可以直接在ANSYS Workbench平臺的工程窗口中直接啟動。

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在CFD仿真中,流體工程師通常要按照“幾何-網格-求解-后處理”的順序開展工作,如下圖所示。幾何部分的工作可以被認為是仿真的第一步,也是連接CAD與CAE的橋梁。

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從ANSYS 16.0版本開始,我們就強烈推薦各位工程師使用SCDM軟件來完成“幾何”環節的工作,因為SCDM在仿真前處理的各個方面都具備強大的功能,幫助我們高效準確的完成CAD-CAE的工作流程。

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SCDM的基本工作流程如下圖所示:

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通常,我們可以將基于SCDM軟件的CFD前處理工作,簡單的分為5個部分:

  • 讀入模型

  • 處理模型

  • 流體區域

  • 仿真完善

  • 輸出幾何

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讀入模型

SCDM具備幾乎所有主流CAD格式的讀入接口,這就給我們的“仿真驅動設計(Simulation Driven Design)”目標提供了最基礎的技術支持,SCDM可以直接讀取ProE、UG、CATIA、Solidworks等軟件的零件(.prt)和裝配體(.asm)文件。(當然,對應的版本有一定限制,比如說低版本的SCDM不能讀取高版本的UG文件。)

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同時,SCDM還能高效的讀入(與寫出)中立格式的CAD幾何,常見的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等。

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當然,SCDM還具備直接建模的能力,按照草圖?實體?變換?布爾運算的思路進行快速建模,無特征、無約束,非常適合概念設計與簡單模型生成(可用于測試求解器參數)。

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處理模型

當仿真的模型是從SCDM直接建立的時候,通常不需要做模型的處理,這一個步驟也就被忽略掉了。

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但絕大多數的情況下,企業中的仿真工程師與設計工程師都是分開的,設計工程師也通常也不會使用SCDM做完整的設計工作,大多數仍舊使用傳統的CAD建模軟件,這就對設計與仿真的連接提出了更為嚴格的要求,也是流體仿真工程師工作中的一個難點。

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流體仿真處理模型的對象通常是固體(設計)區域,因為流體區域是通過布爾運算得到的(而不是設計出來的)。

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通常意義上的流體仿真處理模型分兩步:修復模型和簡化模型。

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1、修復模型

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修復模型的主要目的是獲得(多個)實體。各種格式的幾何文件導入到SCDM里面后,都會或多或少的出現幾何數據傳遞的錯誤,常見的幾何錯誤有:

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  • 面缺失

  • 面縫隙

  • 面(線)錯誤

  • ?……

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SCDM具備有專門的工具來處理這些問題:

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第一類:自動化工具,主要包括“拼接、間距、缺失的表面”

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● ?拼接(Stich):將多個面拼接成為一個(在結構樹中)面

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幾何數據在傳遞的過程中不可避免的會出現容差不一致的情況,這一類情況通常會導致實體幾何被拆散成多個面;當然,這些面的位置關系通常還是可以保證的,因此,對于此類問題,拼接是一個有效的操作,能夠快速將單個實體復原。

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● ?缺失的表面(Missing Faces)

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如果數據傳遞的過程中出現了面缺失的情況,即使將多個面拼接成了一個面,也不會得到實體幾何,原因就是幾何不封閉、不水密,只能是一個大的面,而無法成為實體。

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這個時候缺失的表面功能就派上用場了,他可以自動修復面缺失的情況,從而封閉幾何,得到實體。

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● ?間距(Gap)

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間距的功能與缺失的表面類似,從一個簡單的角度來理解,就是大的面用缺失的表面修復,小的面用間距修復。因此缺失的表面功能通常需要輸入最小值,而間距功能需要輸入最大值。

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對于自動修復幾何的方法,通常按照以下規則:

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1.首先使用拼接功能修復(高版本的軟件記得勾選”檢查重合”)

2.隨后檢查間距和缺失的表面,優先修復數量少的問題

3.對于失敗的問題,進行手動修復

4.對于主要特征面缺失的情況,建議另外導入包含該面的其他文件

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第二類:手動工具,主要包括“融合、拉動、填充等(針對非實體結構的操作)”

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當幾何的數據比較復雜(如大量的高階曲面等)時,往往會出現自動修復失敗或對修復的面形狀不盡滿意的情況,這個時候就需要進行手動修復。手動修復通常較為復雜,需要工程師具備較高的軟件熟知程度以及清晰的修復思路,本文限于篇幅暫不做介紹。

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2、簡化模型

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修復模型結束之后,我們通常會得到(多個)實體,接下來就是簡化模型的工作。

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流體仿真的簡化原則通常按照以下的一般性要求來完成:

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①簡化掉特別細小的特征

②簡化與主要流場區域不相關的小特征

③簡化尖角區域

④適當的簡化狹縫區域

⑤處理流場內部的薄壁擋板

⑥其他需要簡化(或幾何修改)的情況

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通常意義上,簡化幾何的最終目的是:

-減小網格總數量

-避免出現網格質量太差的區域

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簡化模型時常用的SCDM功能:

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● ?填充

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填充是去除獨立額外特征的利器,但需要對實體上的面進行操作;填充的本質是刪除掉選中的面,隨后對未選中的面進行延伸來封閉實體。

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● ?拉動

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當有一些特征不太容易使用填充去除的時候,拉動可能會更容易的產生希望的效果;當然,如果我們的目的不是去除特征,而是對幾何進行一些修改的時候(如增加縫隙的距離),拉動還是一個必要的操作。

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● ?合并表面

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實體的表面上會有很多特征邊,如果這些邊之間的夾角很尖銳,那么往往會降低網格的質量,合并表面可以去除掉這些尖銳的特征;當然,也有改變面形狀的風險,這些可以通過測量功能進行定性的判斷。

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● ?移動、對齊、組合等

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其他的工具也有使用的時機,這和幾何調整的需求是分不開的,限于篇幅暫不展開介紹。

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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,高效的達成目標。

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簡化模型的時機:

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簡化模型通常對固體操作,但需要十分清楚哪些固體區域是需要化簡的(如不與流體區域接觸的位置,實際上是不需要簡化的),否則工作量會大幅增加,且很多操作無效。

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也可先提取流體區域,再對流體區域(實體幾何模型)進行簡化,這種情況通常用于仿真中只包含流體的問題(不算結構換熱)。

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需要注意的事,以上的情況只是針對單一使用流體仿真計算(Fluent或CFX)的問題。多物理場耦合的問題,反而不需要流體與結構幾何完全一致,因為場間的數據耦合是采用插值的方式處理的。

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流體區域

通常我們按照上面的兩步操作,可以得到簡化后的實體模型(大多為固體區域)。接下來我們需要通過固體區域來獲取流體區域,這樣才能完成流體仿真工作。

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流體區域的獲取,本質上就是實體間的布爾運算操作, 一個大的的空間減掉固體的區域,剩下的就是流體的區域。

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當然,單純的使用布爾運算進行流體區域的獲取可能也沒那么容易。受限于形狀等因素,內流場的獲取通常要在布爾運算結束以后進行一些切割;外流場的區域獲取可能工作效率較低。

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SCDM為了解決這些CFD仿真相關的問題,提供了流體區域獲取的簡便方法,分別的是外殼工具和體積抽取工具,對應的功能是外流場以及內流場。

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1、外流場

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在外流場獲取的過程中,我們需要注意以下幾個方面的問題。

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● ?外流場的形狀

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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

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原則上,外流場只要選取的足夠大,其形狀是不會影響求解結果的。

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● ?對稱面(壁面)的選取

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當仿真的區域存在對稱面的時候,外流場也應該保持對稱面的特性(即只能在對稱面的一側存在流體計算區域)。

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同對稱面,如當仿真區域中存在壁面時,也應該對外流場區域產生影響(即此部分的形狀應該是確定的)。

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● ?外流場的特征方向

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當幾何的軸線(或特征方向)不與坐標系一致時,SCDM中的外殼功能可以快速調整,使外流場與幾何(而不是坐標)對齊。

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● ?外流場的獨立性

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外流場生成后,會單獨的出現在SCDM的結構樹列表中,是一個單獨的實體,并且不會與內部的固體區域有任何的干涉和縫隙。

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該實體默認是半透明的顯示狀態,方便用戶觀察;且該實體是獨立的實體,可以后續的進行任何關于實體的操作(如拉動、移動、填充、組合等)。

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● ?外流場自動更新

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為了能夠實現工作效率的提升,SCDM還提供了外流場自動更新的功能,用戶可以在更改了固體區域之后迅速的更新外流場,同時保持其他的外流場參數(如形狀、方向、尺寸大小等)不變

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2、內流場

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SCDM中的內流場,并沒有采用通常意義中布爾運算的方式進行獲取,而是采用了濕壁面擴展?再封閉幾何的方法。

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詳細的操作方法按照以下的步驟進行:

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1.選取固體區域的進出口

2.選取某一個濕壁面(與流體接觸)

3.預覽內表面

4.生成流體區域

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● ?內流場的獨立性

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內流場生成后,會單獨的出現在SCDM的結構樹列表中,是一個單獨的實體,并且不會與外部的固體區域有任何的干涉和縫隙。

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在生成內流場后,外部的固體區域將默認轉換成為半透明的顯示狀態,方便用戶觀察;和外流場一樣,生成的內流場是獨立的實體,可以后續的進行任何關于實體的操作(如拉動、移動、填充、組合等)。

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● ?內流場自動更新

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為了能夠實現工作效率的提升,SCDM還提供了外流場自動更新的功能,用戶可以在更改了固體區域之后迅速的更新外流場,同時保持其他的內流場參數(如進出口、濕壁面等)不變。

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SCDM中提供的內流場獲取功能是非常強大的,可以快速高效準確的獲取內部流場區域,同時也可以查找固體管道區域的漏水點等問題;當然,對于不同的幾何,在獲取內流場的過程中會出現不一樣的問題(主要就是會導致內流場生成失?。?,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踐中不斷的探索和研究,限于篇幅的問題,本文暫不對內流場獲取中發生的問題做相關的擴展介紹。

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仿真完善

獲取流體區域之后,我們通常還需要做一些額外的操作;當然這些操作的目的各不一致,因此難以統一到一個單獨的類別之中,我們就簡單的稱之為仿真完善。

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當我們的仿真僅僅涉及到單體的流體分析(不含多孔介質,不含源項等)時,仿真完善的步驟通??梢蕴^(最多包含命名)。

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當需要考慮多個實體的流體區域,或者流固耦合換熱的問題時,就還需要進行多個步驟的仿真完善相關工作。

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仿真完善大致需要處理一下幾個步驟:

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● ?幾何命名

● ?幾何參數化

● ?多體分割

● ?體間縫隙/干涉

● ?共享拓撲

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1、幾何命名

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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好的,確認位置的方式是通過命名來實現的;對于三維的仿真問題,體域(cell zone)是對實體進行命名,邊界(boundary)是對實體上的面進行命名。

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當然,我們也可以考慮在畫網格的軟件中進行幾何命名,也是可以達到同樣的目的。

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在SCDM中進行命名有以下的優勢和缺點:

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優勢:具備有強大的選擇功能,可以快速高效選取希望命名的實體/面,提高工作效率。

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缺點:命名不是從幾何(而是網格)直接傳遞給求解器的,因此中間可能會有一定的誤差。

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需要注意的是:對于初學者,假如使用Workbench Meshing進行網格劃分,那么命名在兩個軟件中通常都可以順利完成;對于使用Fluent Meshing劃分網格的中高級流體工程師而言,建議用SCDM命名,可以極大的提高工作效率。

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SCDM進行命名的方法非常簡單,只要鼠標在選擇狀態下,在圖形界面中(或結構樹中)選取了一個或多個對象(包括點/線/面/實體等),就可以在創建組的標簽欄中進行命名。

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CFD仿真的命名沒有任何的格式要求,工程師自己可以識別即可;當然,建議使用純英文字符進行命名,否則到求解器中可能會產生亂碼。

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2、幾何參數化

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SCDM軟件是支持參數化建模的,可以針對任意導入的CAD幾何進行參數化設置;同時SCDM中的參數化設置可以集成在Workbench中,作為整個的CFD工作流程的輸入參數。

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當然,對于幾何參數化的相關功能,我本人是并不推薦大家使用的,原因如下:

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① CAE仿真參數化的目的,大多數是為了實現多工況自動計算;而流體仿真的單個案例,通常會持續較長時間,大多數處在十幾個小時到幾十個小時不等。對于這種“長“周期的仿真工程,顯然自動化能夠帶來的工作量減小是微乎其微的,通常認為是可以忽略的。

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② 流體仿真對于網格的要求很高,而幾何尺寸改變后的自動體網格劃分,網格質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,基于幾何參數化的自動網格生成通常被認為是“不靠譜“的。

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③ 部分流體求解器的參數也和幾何尺寸與網格息息相關,因此參數化流程可能會導致多工況中的部分問題求解發散。

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在大多數行業中,流體工程師的大部分工作都是在手動調整網格和測試求解器參數,因此基于幾何尺寸的參數化工作往往被認為是不高效、不靠譜的,這也是流體仿真模板較少的主要原因。

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3、多體分割

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當我們希望不同的體在CFD求解器中具備不同的特點(比如多孔介質、不同材料的固體)時,就必須在幾何的環節把他們區分開;否則上在后面的流程中(如網格、求解等)就很難再把他們分開。

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結構樹中的多個體可以命成一個名字,這樣,他們就會在求解器中被當成單獨的cell zone對待。

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4、體間縫隙/干涉

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既然是仿真區域存在多個體,那么他們之間就不可避免的會存在問題,常見的體間問題包含干涉和縫隙。對于干涉問題,SCDM提供自動探測干涉區域并修復的功能,可以高效的處理多體間的錯誤;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(基于實體)工具,當多個體相鄰的曲面間存在縫隙時,這是十分讓人頭疼的問題,可能需要更多的高級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。

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5、共享拓撲

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流體仿真中,多個實體之間存在公共面,如果沒有網格的相對運動,則推薦使用共節點網格。共節點網格的優勢如下:

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★ ?更少的計算時間

★ ?更高的數值精度

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SCDM提供簡單快捷的多體網格共節點方式“共享拓撲”,只需要在多個體的結構樹組件中選擇共享即可。

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共享拓撲的實際工作步驟包含兩個方面:

  • 壓印

  • 網格共節點

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幾何輸出

SCDM輸出幾何的標準格式是*.scdoc,在這種格式下,ANSYS其他的網格劃分軟件可以讀取文件中的幾何實體信息、共享拓撲信息以及完整的參數化和命名信息,而且這些信息不會出現任何錯誤(基于ANSYS內部的數據接口),因此*.scdoc是最為推薦的幾何輸出格式。

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當然,*.scdoc也有他自身的缺點,那就是高版本SCDM軟件儲存的文件,使用低版本的SCDM軟件是無法打開的,大多數的CAD軟件都有此特點,但CFD流體仿真的文件無這類特點(如.msh.cas文件等都與版本無關)。

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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了,但它里面也缺失了共享拓撲的信息、參數化的信息與命名的信息,當然,中立格式的CAD文件是不能確保和ANSYS其他網格劃分軟件進行無錯數據傳遞的。

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