ICEM-CFD简明教程

ICEMCFD简明教程I前言这里不涉及到ICEMCFD的任何原理，也不想涉及ICEMCFD中的诸多高级的不常用的功能。在我使用ICEMCFD长达三年的过程中，我深深感到，使用该软件的最大困难不在于对软件操作界面的熟悉程度，也不在于对软件后台运行机理的深入了解。而在于对于相似几何网格生成思路的积累。孰能生巧，当练习得多了，碰到同类型的模型，自然而然的就知道该如何去下手对付了。很多人都说，ICEMCFD的使用核心思想在于拓扑。这句话是没错的。但是不是所有人的空间想象能力都是那么好的，也不是所有人都精通拓扑学的。我总觉得，只要我们练习足够了，对于一般工作中常见的模型结构，心中有一个自然的分块策略，哪怕是再复杂的几何模型，我们能够快速的将其拆解为我们熟悉的结构，进而采用熟悉的分块策略进行网格划分，总是不错的。ICEMCFD作为一款顶级前处理软件，想将其所有功能一网打尽几乎是不可能的。有人统计过，我们很多时候都只是使用了软件20%的功能。对于ICEMCFD，20%的功能应当是足够我们工作使用了。至于更复杂的功能，我们完全可以在工作中慢慢的总结。当前有很多优秀的网格划分工具，很多都具有各自的优势，ICEMCFD在结构网格划分方面具有自己的特色，采用分块划分方式对于很多人来说可能比较新鲜。其他的诸如Hypermesh，GAMBIT等软件的六面体划分，都是直接对几何体进行切割。有人认为ICEMCFD的入门比较耗费时间，的确是这样的。本文的目的即在如此。通过一些特征几何的分块策略讲解，力求使读者在短时间内对ICEMCFD的结构网格划分方式有一个直观的了解，同时，加深对特征几何的分网练习，可以有助于对复杂几何的分解。杂七杂八的软件用得多了，有时候不免生出疑问：“究竟软件需不需要学？”。在汉语中，软件应当是被使用的啊。作为一款工具，如果我们花费大量的时间在其的使用操作上，是否有些顾此失彼呢？我们的目的绝非学会怎样使用软件，而在于如何利用软件为我们的工作服务。文中有一些内容翻译自ICEMCFD帮助文档，因此可能存在部分翻译错误，不过我觉得有兴趣看这些的童鞋估计都是研究生以上学历，发现错误自然轻而易举。欢迎将错误信息反馈到我的邮箱：[e-mail]，或者[e-mail]，不胜感激。本文不是最终完整版，我会努力将其完成的，虽然现在忙着写博士论文，时间表一再推后，但我保证绝对会将其完成。文中的模型文件下载地址：概述ICEMCFD是一款计算前后处理软件，包括从几何创建、网格划分、前处理条件设置、后处理等功能。在CFD网格生成领域，优势更为突出。1.1ICEMCFD简介ANSYSICEMCFD提供了高级几何获取、网格生成、网格优化以及后处理工具以满足当今复杂分析对集成网格生成与后处理工具的需求。为了在网格生成与后处理中与几何保持紧密的联系，ANSYSICEMCFD被用于在诸如计算流体动力学与结构分析中。ANSYSICEMCFD的网格生成工具提供了参数化创建网格的能力，包括许多不同格式：（1）Multiblockstructured（多块结构网格）（2）Unstructuredhexahedral（非结构六面体网格）（3）Unstructuredtetrahedral（非结构四面体网格）（4）CartesianwithH-gridrefinement（带H型细化的笛卡尔网格）（5）Hybirdmeshedcomprisinghexahedral,tetrahedral,pyramidaland/orprismaticelements（混合了六面体、四面体、金字塔或棱柱形网格的杂交网格）（6）Quadrilateralandtriangularsurfacemeshes（四边形和三角形表面网格）ICEMCFD提供了几何与分析间的直接联系。在ICEMCFD中，集合可以以商用CAD设计软件包、第三方公共格式、扫描的数据或点数据的任何格式被导入。1.2总体工作流程ICEMCFD的一般工作流程包括以下几个步骤：1、打开/创建一个工程2、创建/处理几何3、创建网格4、检查/编辑网格5、生成求解器的导入文件6、结果后处理工作流程如图1-1所示。ICEMCFD使用指南2图1-1ICEMCFD工作流程1.2.1ICEMCFD的文件类型文件类型扩展名说明Tetin*.tin包括几何实体、材料点、块关联以及网格尺寸等信息Project*.prj工程文件，包含有项目信息Blocking*.blk包含块的拓扑信息Boundaryconditions*.fbc包含边界条件Attributes*.atr包含属性、局部参数以及单元信息Parameters*.par包含有模型参数及单元类型信息Journal*.jrf包含有所有操作的记录Replay*.rpl包含有重播脚本1.2.2创建或操作几何ICEMCFD包含有创建一个新的或操作一个已有几何的广泛的工具。用户不需要返回到原始的CAD中即可改变复杂集合或创建一个简单的几何。这些都能够使用CAD（NURBS表面）和三角化表面数据来实现。ICEMCFD的直接CAD接口提供了位于CAD系统中的ICEMCFD使用指南3参数化集合创建工具及ICEMCFD中所具有的计算网格工具、后处理以及网格优化工具间的桥梁。允许用户在当地CAD系统中操作几何。ICEMCFD目前支持的直接CAD接口包括CATIA，I-deas，PRO-E以及Unigraphics。ICEMCFD环境能够在一个单一的几何中联合使用CAD面几何及三角化表面数据。所有的几何实体，包括表面、曲线以及点都被标记或被组合到一个称为Part的群组中。通过使用part对几何的组织，用户可以激活或禁止part中的对象，以不同的颜色显示或者在同一part的不同实体上赋予网格尺寸，以及利用part设置不同的边界条件。尽管ICEMCFD中的大部分网格划分模块允许几何中存在小的间隙或孔洞，但在一些情况下必须将大的孔洞及间隙找出来。ICEMCFD提供了一些在CAD或三角化表面中诸如此类的操作。最终，曲线以及点能够被自动创建以捕捉几何中的一些关键特征。这些曲线或点在网格划分中扮演着约束的作用，强制单元的节点或边在他们之上，以捕捉这些特征。1.2.3网格创建网格划分模块能划分以下一些网格类型。1、四面体（Tetra）ICEMCFD四面体网格划分工具具有面向对象非结构网格划分技术的所有优势。摒弃了令人厌烦的up-front三角形表面网格划分以提供良好的初始网格步骤，ICEMCFD四面体网格划分直接从CAD表面开始利用八叉树算法（Octree）将四面体网格单元填充体积。利用功能强大的网格光顺算法保证网格质量。具有可选的自动细化或粗化网格功能。依然包含Delaunay算法，可以从已存在的表面网格生成四面体。2、六面体（Hooks）ICEMCFD六面体网格划分工具是一个半自动划分模块，允许快速创建多块结构或非结构六面体网格。ICEMCFD六面体划分展示了一种网格生成的新方法—大多数的操作能够自动完成或通过点击按钮完成。Block能够基于CAD几何创建或互动的调整。而且这些块能够作为模板用于相似的几何，且具有完全参数化能力。复杂的拓扑结构，如内部或外部O型网格能够被自动的生成。。3、棱柱网格（Prism）ICEMCFD棱柱网格生成器能在边界表面产生棱柱单元层一致的混合四面体网格，并且在流场的近壁面构建四面体单元。与纯粹的四面体网格相比，在更小的分析模型中，采用棱柱网格有更好的收敛性以及求解分析结果。4、杂交网格（HybridMeshes）能够创建以下一些杂交网格：（1）四面体与六面体网格在一个公用面上被联合，在该面上会自动生成金字塔网格。这一网格类型适合于一些部件适合与结构网格而一些部件适合划分非结构网格的模型。（2）能生成六面体核心的网格。在这类网格中，主要的体积为六面体笛卡尔网格所填充。这一类型是通过自动创建金字塔网格来实现连接棱柱网格或四面体杂交网格的。六面体核心网格允许减小单元数量，以加快计算时间及获得更好的收敛。5、壳网格划分（ShellMeshing）ICEMCFD使用指南4ICEMCFD提供了快速的表面（3D或2S）网格生成方法。网格类型可以是AllTri，Quadw/oneTri，QuadDominant或者AllQuad，提供了一下一些划分方法：（1）Mappedbasedshellmeshing（Autoblock）：在内部使用一系列的2D块（2）Patchbasedshellmeshing（PatchDependent）：使用一系列的表面边界或者一系列的曲线自动定义的封闭区域。这一方法提供了自豪的四边形为主质量，而且捕捉表面细节。（3）Patchindependentshellmeshing（PatchIndependent）：使用八叉树算法。这一算法对于未清理的集合来说是最好的也是最健壮的方法。（4）Shrinkwrap：用于快速生成网格。这常常是用与预览网格，不会捕捉硬的特征。1.2.4检查及编辑网格ICEMCFD中的网格编辑工具允许用户检测及修复网格中的问题。用户同时可以提高网格质量。大量的人工或自动的工具如转换单元类型、细化或粗化网格、光顺网格等能被用于网格的修复。一般步骤包括：1、利用网格检测工具检查网格的问题，例如孔、间隙、重叠单元，使用合适的自动或人工修复方法修复这些问题。2、检查坏质量的网格，使用光顺工具提高网格质量。3、如果网格质量很差，一些合适的方法包括修复几何、使用合适的尺寸参数重新创建网格或者利用不同的划分方法创建网格。1.3ICEMCFD的用户界面ICEMCFD的图形用户接口（GUI）提供了一个创建及编辑计算网格完整的环境。图1-2所示为ICEMCFD的图形用户界面。左上角为主菜单，在其下方为工具按钮，包含了诸如Save及Open之类的命令。与工具按钮栏相平齐的为功能选项卡，它从左至右的顺序也是一个典型网格生成过程的顺序。点击选项卡上的标签页，可将功能按钮显示在前台，单击其中的按钮，可激活该按钮所关联的数据对象区（DataEntryZone）。图2-2所显示的为ConvertMeshType，同时还包含有选择工具条，在界面的右下角还包含有消息窗口及直方图显窗口。在用户界面的左上角为显示控制树形菜单，用户可以使用该属性菜单修改兑现规定显示、属性及创建子集等。ICEMCFD使用指南5图1-2ICEMCFD图形界面1.4Blocking基础62二维平面模型结构网格划分2.1学习目的主要的知识点有：1、ICEMCFD划分二维模型网格的一般步骤2、2D块的一些构建及切割方式3、网格质量检查4、网格的生成及导出2.2几何模型及分块策略几何模型如图2-1所示。该模型为一混合管模型，两个温度不同的入水管，一个出水管。图2-1几何模型从上面的几何很容易看出，自顶向下的方式可以采用“T”型块进行网格划分，自底向上可以从小管开始块的生成。2.3边界命名命名边界的目的主要是为了在求解器设置中可以看到此边界。在ICEMCFD中，边界是以part的形式进行组织的。1、命名入口边界在模型树形菜单的Part上点击右键，选取CreatePart创建各边界part，如右图所示。2.4自顶向下划分方式这种方式的划分思路为：先创建一个整体块，然后对块进行切割、合并ICEMCFD使用指南7等操作完成最终块。这种分块方式的主要优势在于可以从整体上把握拓扑结构，然而在几何比较复杂时或切割次数过多时，由于块的数量多，而导致edge及face的数量过多，在进行关联选取的时候会不方便。2.4.1创建2D块创建2D块的方式有两种，一种是2DPlanar块，另一种为2DSurfaceBlocking。其中，前者主要创建平面2D块，且该块位于XY平面。后者可创建曲面的块，能自动进行块切割。在本例中我们选取前者进行块的创建。在工具Blocking标签页中选择CreateBlock图标，如图2-2所示。（图2-2）在