ANSYS系列软件网格质量评定及改进策略

A-1附录A网格质量AppendixA:MeshQualityA-2TrainingManual概述•网格质量度量–Skewness–可接受比–最差单元•FLUENT求解器的网格质量考虑–一般考虑–求解中网格质量的影响•CFX求解器的网格质量考虑•网格质量影响因子–CAD问题–网格分解和分布–划分方法–膨胀•改进网格质量策略–CAD清除–虚拟拓扑–收缩控制–理性网格尺寸和膨胀设置–一般推荐•作业A.1汽车集流管的虚拟拓扑•作业A.2FLUENT和CFX网格质量度量AppendixA:MeshQualityA-3TrainingManualANSYS网格划分的网格度量•Mesh选项中可得到MeshMetric，可对其进行设置和查看来评估网格质量•不同物理环境和不同求解器对网格质量有不同的要求•ANSYS网格划分中可得到的网格度量有:–单元质量–纵横比–雅可比–扭曲因子–平行误差–最大拐角–偏斜AppendixA:MeshQualityA-4TrainingManual偏斜两种方法定义偏斜:1.基于等边形的体的误差:•偏斜=•只用于三角形和四面体•三角形和四面体的默认方法2.基于规一化的角误差:•偏斜=其中是等角的面/单元(对三角形和四面体为60,对四边形和六面体为90)•适用于所有的面和单元形状•使用于棱柱和棱锥emineeemax,180maxminmax最优(等边的)单元实际单元球网格质量度量e01完美的最坏的最优单元尺寸单元尺寸最优单元尺寸AppendixA:MeshQualityA-5TrainingManual纵横比=1高纵横比四边形纵横比=1高纵横比三角形网格质量度量纵横比•一般三角形和四边形的形貌是最长比与最短边比的函数(详细见UserGuide)•对等边三角形或正方形等于1(理想的)AppendixA:MeshQualityA-6TrainingManualANSYS网格质量统计•对表面网格(在预览表面网格生成后)和体网格(在预览膨胀层或网格生成后)已选择的网格度量，将显示min,max,averaged和standarddeviation•在树状略图的Mesh对象下，使用ShowWorstElements可突出显示最坏单元AppendixA:MeshQualityA-7TrainingManualFLUENT网格质量考虑事项•FLUENT需要高质量的网格来避免数值发散•涉及几个网格质量度量,但skewness是主要的度量•纵横比和胞格尺寸也很重要•最坏情况并取决使用的求解器(基于密度或基于压力)，FLUENT可容忍差的网格质量，而一些程序可能需要更高的网格质量，分辨和好的网格分布•差质量单元的位置有助于确定它们的影响•Statistics中将得到一些总体的网格质量度量•其它网格质量度量FLUENT用户图形界面菜单中Mesh/Info/Quality下得到,或使用TUI命令‘mesh/quality’AppendixA:MeshQualityA-8TrainingManualFLUENT网格质量要求•对Fluent最重要的网格质量度量是:–Skewness–AspectRatio–CellSizeChange(ANSYS网格不能执行)对所有或大多数程序:•Skewness:–对六面体,三角形和四边形:应小于0.8–对四面体:应小于0.9•AspectRatio:–应小于40,但取决于流体特性–膨胀层可容忍大于50•CellSizeChange:–应在1与2之间•差网格质量可能导致不精确求解和缓慢收敛•一些程序可能要求比建议值更低的偏斜值AppendixA:MeshQualityA-9TrainingManualSkewness和Fluent求解器•不推荐高skewness值•一般保持体网格最大skewness值0.95。而这个值和物理分析类型和单元位置紧密相关•如果体网格包含退化单元，FLUENT会报告负的单元体积•skewness网格质量度量等级:•*一些情况下，基于求解器的压力可运用包含少量skewness为0.98单元的网格.0-0.250.25-0.500.50-0.800.80-0.950.95-0.980.98-1.00*ExcellentverygoodgoodacceptablebadInacceptable*AppendixA:MeshQualityA-10TrainingManual(max,avg)CSKEW=(0.912,0.291)(max,avg)CAR=(62.731,7.402)(max,avg)CSKEW=(0.801,0.287)(max,avg)CAR=(8.153,1.298)VzMIN≈-100ft/minVzMAX≈400ft/minVzMIN≈-90ft/minVzMAX≈600ft/min求解中网格质量的影响Largecellsizechange例子网格2网格1AppendixA:MeshQualityA-11TrainingManualCFX网格质量考虑事项•CFX求解器对网格质量要求和FLUENT求解器有点不同，由于两个编码的求解器结构的不同–Fluent求解器是单元为中心的,流体变量计算在单元的中心分配,其网格单元和求解器单元相同–CFX求解器是顶点为中心的，流体变量单元在顶点存储,求解器单元是双重网格单元。这意味着网格单元的顶点是求解器单元的中心AppendixA:MeshQualityA-12TrainingManualCFX网格质量考虑事项•CFX求解器有3个重要的网格度量标准，每次运行和更新开始的畸形网格–网格正交性–纵横比–扩展因子+--------------------------------------------------------------------+|MeshStatistics|+--------------------------------------------------------------------+DomainName:AirDuctMinimumOrthogonalityAngle[degrees]=20.4okMaximumAspectRatio=13.5OKMaximumMeshExpansionFactor=700.4!DomainName:WaterPipeMinimumOrthogonalityAngle[degrees]=32.8okMaximumAspectRatio=6.4OKMaximumMeshExpansionFactor=73.5!GlobalMeshQualityStatistics:MinimumOrthogonalityAngle[degrees]=20.4okMaximumAspectRatio=13.5OKMaximumMeshExpansionFactor=700.4!好的(OK)可接受的(ok)可疑的(!)AppendixA:MeshQualityA-13TrainingManual•正交性度量由以下组成:•ip-face法向向量,n,与•node-to-node向量,s.•正交性椅子=n·s,1/3想要的•正交角=90º-acos(n·s),20º想要的•这不同于CFD后处理中Max/Min面角?YES!–对应于边之间角的面角–如果一单元在两个方向偏斜，可有一个可接受面角和一不可接受正交角CFX网格正交性AppendixA:MeshQualityA-14TrainingManualCFX网格扩展因子扩展因子度量相对控制体质心的差节点位置•网格扩展因子≈节点周围的最大单元体积和最小单元体积的比20是想要的•在CFD后处理中，网格扩展因子本质上和单元体积比是同样的AppendixA:MeshQualityA-15TrainingManualCFX网格纵横比纵横比度量控制体的伸长•纵横比=节点周围每个单元最大和最小ip-areas的比的最大值,100是想要的•在CFD后处理中，纵横比和边长度比很相似AppendixA:MeshQualityA-16TrainingManualCFX网格质量重要性•离散误差的来源–流量逼近法中非正交性引入误差–存储和源逼近法中大网格扩展引入误差•离散误差的扩大–对减小非正交性误差的校正可引起非物理影响•线性化方程求解难点–大纵横比需要使用更多重要数字(如，双精度求解器的使用)为什么网格质量重要?AppendixA:MeshQualityA-17TrainingManual网格质量影响要素•CAD问题–小边,尖锐边和面–边和面间小缝隙/通道–未连接几何体需确定CAD问题并消除AppendixA:MeshQualityA-18TrainingManual网格质量影响要素•网格分解和分布–急剧变化的几何，不连续或小缝隙可能需要更多分解–适当的网格分布可预测物理条件不适当的分解和分布可能导致大的单元尺寸变化，纵横比和(或)偏斜AppendixA:MeshQualityA-19TrainingManual网格质量影响要素•尺寸功能类型–不适当的使用(或根本不使用)高级尺寸功能(ASF)可能导致差网格质量–对弯曲特征支配的几何使用CurvatureASF–对有缝隙或狭窄成份的几何使用ProximityASF–对综合这些特征的几何使用CurvatureandProximityASFASF可用来消除!AppendixA:MeshQualityA-20TrainingManual网格质量影响要素•划分方法–划分方法不适当的使用(自动,四面体,扫掠,多区和CFX-网格)会导致大的偏斜–划分方法的选择取决于几何和应用程序–使用Outline中Mesh对象下ShowtheSweepableBodies是一个好习惯–许多程序利用PatchConforming和扫掠划分方法Arelatively“good”meshintermsofmaxskewness,howevertheaverageandstandarddeviationarelargeAppendixA:MeshQualityA-21TrainingManual网格质量影响要素•膨胀不适当的:–表面网格质量–膨胀表面选择–膨胀选项–膨胀算法(compression或stair-stepping层)–膨胀参数–高级膨胀选项可能导致差的网格质量!受影响的膨胀AppendixA:MeshQualityA-22TrainingManual改进网格质量策略•CAD清除使用CAD或DM:–简化几何–合并小边–合并边以减少面的数量–避免狭窄面–只在重要地方保留体间隙–分解几何–移除不必要几何–几何相加–几何修补DM中分裂边/项目边/合并面后AppendixA:MeshQualityA-23TrainingManual改进网格质量策略•虚拟拓扑AM中使用VT在简化几何细节可在Outline中Model下添加创建虚拟边/面可改进网格如果结果表面网格扭曲，则考虑修整DM或CAD中几何问题用宽面虚拟合并狭小面后AppendixA:MeshQualityA-24TrainingManual改进网格质量策略•收缩控制–允许在网格水平移除小的特征(小边或狭小面)–供Patch-Conforming四面体方法使用–当收缩标准合适的时候，小的特征从网格中消除用Outline中Mesh下PinchControls自动探测收缩位置AppendixA:MeshQualityA-25TrainingManual改进网格质量策略•Sensible网格尺寸和膨胀设置最小尺寸减少2X以适应狭小几何。结果网格质量得到改进。局部面尺寸也可能使用。AppendixA:MeshQualityA-26TrainingManual•一般建议–如果体网格满足以下一个或更多条件，则认为不可接受:•FLUENT网格非常高的偏斜(0.98)•退化单元(偏斜~1)•高纵横比单元•负体积–单元质量改进:•改进表面网