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多面体网格的优点及组合光顺成果

2023-10-17 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-10 多面体网格的优点多面体模型对网格数量的依赖性比四面体小，只需四面体网格数的1/4即可保证计算精度，同时收敛速度、趋势更好于四面体网格。将两部分网格组合和光顺后，即成为图2-11所示的网格。

1.STAR-CCM+的网格方案

使用STAR-CCM+进行模拟，首先需要一套离散计算域空间的体网格，STAR-CCM+既支持从外部读入各种格式的体网格文件，也可以使用STAR-CCM+生成。

STAR-CCM+可以读入的面网格文件类型主要包括：

STL files（*.stl）

IGES files（*.iges，*.igs）

STEP files（*.step，*.stp）

Parasolid Transmit files（*.xb，*.xt）

pro-STAR database files（*.dbs）

pro-STAR input（cell/vertex）files（*.inp）

STAR CCM files（*.ccm）

pro-STAR mesh files（*.ngeom）

NASTRAN files（*.nas）

PATRAN files（*.pat）

FLUENT case files（*.cas）

STAR-CCM+支持读入的体网格文件类型主要包括：

CD-adapco CCM Files（*.ccm，*.ccmg，*.ccmp，*.ccmt）

pro-STAR mesh files（*.ngeom）

Fluent case files（*.cas，*.grd，*.msh）

Plot3D input files（*.grd，*.msh，*.p3d，*.xyz）

Gridgen input files（*.grd）

Abaqus input files（*.inp）

Visual Toolkit input files（*.vtk）

Ensight input files（*.case）

RadTherm input files（*.ntl，*.neu）

网格处理工具主要包括以下几种：

1）面网格工具，包括：包面工具（Surface wrapper）、重构工具（Surface remesher）、漏洞填充工具（Hole filler）、线条压缩工具（Edge zipper）以及特征线提取和编辑工具等。

2）体网格工具，包括：四面体网格生成器（Tetrahedral mesher）、多面体网格生成器（Polyhedral mesher）和Trimmed网格生成器（Trimmed mesher）。

3）边界层网格工具：Prism layer mesher。

4）精细网格调节工具：Volumetric Controls（局部参数设置，可用于设置局部加密区）。

5）网格变换工具：Transform（平移）、Rotate（旋转）、Scale（缩放）和Reflect（映射）。

6）其他，如对边界（Boundaries）和区域（Regions）的分裂（Split）和合并（Combine），以及创建、删除和融合交界面（Interfaces）等。

2.STAR-CCM+的网格形式

STAR-CCM+具有功能强大的网格生成器，可自动划分多面体网格、四面体网格、Trimmed网格。

多面体网格（Polyhedral Mesh）如图2-3所示。

四面体网格（Tetrahedral Mesh）如图2-4所示。

Trimmed网格（Hexahedral：6面体核心）如图2-5所示。

Trimmed网格（Dodecahedral：12面体核心）如图2-6所示。(www.chuimin.cn)

边界层网格（Prism Mesher）如图2-7所示（位于管体边缘）。拉伸层网格（Extruder Mes-her）如图2-8所示（位于左侧）。

薄壁层网格（Thin Mesher）如图2-9所示。薄壁层网格用于薄板或薄面的网格划分。

图2-3 多面体网格(Polyheclral Mesh)

图2-4 四面体网格(Tetrahedral Mesh)

图2-5 Trimmed网格（Hexahedral：6面体核心）

图2-6 Trimmed网格（Dodecahedral：12面体核心）

图2-7 边界层网格

图2-8 拉伸层网格

（1）四面体网格四面体是一种比较简便的自动划分方式。每个四面体有四个相邻单元，对于单元中心的数值是采用线性的近似。但是，当相邻节点的空间位置接近于一个平面时，垂直于这个面的梯度就难以计算准确；当一个单元的面位于边界上时，它的相邻三个单元计算可能出现计算不准，在计算区域的边和角的位置，四面体的问题更突出。

（2）多面体网格多面体网格源自于“蜂窝猜想”这一数学问题：六边形拓扑网格可以利用最少的周长划分相同面积。多面体网格的优点如图2-10所示。

图2-9 薄壁层网格

多面体网格克服了传统网格的缺点：

1）有更多的相邻单元，梯度的计算和当地的流动状况预测更准确。

2）多面体对几何的变形没有四面体敏感。智能的网格工具使得单元可以自动融合、分裂，或者增加新的点、线、面。

3）对于存在回流的流动，多面体的计算精度甚至超出Hexa网格。

STAR-CCM+可以接受目前流行网格生成软件的网格（Hexa、Tetra等），也可以求解多面体网格（Poly）。多面体网格和相同数量的四面体网格（Tetra）相比，不但计算结果更精确，而且求解速度快3～5倍。

图2-10 多面体网格的优点

多面体模型对网格数量的依赖性比四面体小，只需四面体网格数的1/4即可保证计算精度，同时收敛速度、趋势更好于四面体网格。

（3）Trimmed网格Trimmed网格的划分原理如图2-11所示，以带边界层的圆柱体网格划分为例，Trimmed网格的划分可用以下四步来概括：

1）首先将圆柱体用一条内边框（边界层边界）作为区分边界层（Prism layer mesh）与中心网格（Core mesh）的边界，边界层边界与真实边界（圆柱体边界）的距离为所设边界层的厚度。

2）用圆柱体去切割六面体网格的长方体（虚拟的长方体，将圆柱体包含在内）。

3）圆柱体中边界层边界内的网格留下，中心为六面体网格（Core mesh），边界层边界附近留下的为不规则网格（可能为四面体）。

4）边界层内生成网格（如果几何表面较为复杂，边界层网格不一定为六面体网格）。将两部分网格组合和光顺后，即成为图2-11所示的网格。

由此可见，Trimmed网格又称为切割体网格。

图2-11 Trimmed网格的划分原理

Trimmed网格保证了大部分区域为计算性能较好的六面体网格，也就保证了计算的精度。