[系列]CFD軟件技能的提高：從前處理軟件選擇開始

"選擇"是一件極為痛苦的事情。沒有選擇很痛苦,有很多候選項(xiàng)而不知道如何進(jìn)行選擇似乎更為痛苦。流體計(jì)算前處理似乎就存在這一問題。廣義上的流體計(jì)算前處理通常指的是從幾何模型的創(chuàng)建到計(jì)算模型的生成這一過程。但是我們更愿意接受將前處理定義為從幾何模型的導(dǎo)入到網(wǎng)格生成這一過程。因?yàn)橄鄬?duì)于復(fù)雜的工程問題,其幾何模型往往非常復(fù)雜,計(jì)算工作者更愿意使用專業(yè)的幾何建模軟件來生成此類幾何。而網(wǎng)格劃分之后的計(jì)算參數(shù)設(shè)定,則涉及到眾多的行業(yè)理論背景,往往將其歸結(jié)到求解器設(shè)定里面。如果將前處理僅僅限定在幾何模型的導(dǎo)入至計(jì)算網(wǎng)格的生成的話,那么此過程則可以完全與計(jì)算求解分離開,形成相對(duì)獨(dú)立的操作流程。也是基于這一點(diǎn),市面上出現(xiàn)了相當(dāng)多的各種類型的CFD前處理軟件。從這一點(diǎn)出發(fā),任何一款前處理軟件其實(shí)都可以適用于任何求解器。

再來談?wù)劰腆w有限元網(wǎng)格和流體網(wǎng)格的區(qū)別。從本質(zhì)上來說,它們是沒有區(qū)別的,都是記錄了各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值以及節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系。但是由于有限元計(jì)算算法與有限體積法(大多數(shù)流體求解器采用的算法)的差異,導(dǎo)致了網(wǎng)格劃分過程中需要注意的內(nèi)容不一樣,這也導(dǎo)致了一些網(wǎng)格生成軟件更偏重于固體計(jì)算或流體計(jì)算。那么它們的差異在哪里呢?使用固體有限元計(jì)算的筒子可能會(huì)聽到諸于"一階單元""二階單元""高階單元"之類的概念,如下圖所示,左側(cè)為一階四面體單元,包含四個(gè)節(jié)點(diǎn)。右圖為二階四面體單元包含有10個(gè)節(jié)點(diǎn)。雖然說節(jié)點(diǎn)數(shù)量不一樣,但是僅僅只是反應(yīng)在計(jì)算求解過程中,而在網(wǎng)格劃分過程中則沒有任何差異。對(duì)于流體計(jì)算網(wǎng)格則沒有階次的概念,可以認(rèn)為所有的流體計(jì)算網(wǎng)格均為一階網(wǎng)格。

對(duì)于固體有限元和流體計(jì)算前處理還存在的區(qū)別在于:固體有限元計(jì)算,在前處理過程中需要指定單元屬性、材料類型等等參數(shù)。因此固體前處理過程比流體前處理過程要包含更多的操作。流體計(jì)算前處理僅僅只需要輸出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系等信息即可,比起固體計(jì)算前處理要簡(jiǎn)單一些。這也是一些專職流體前處理軟件不適合做固體前處理的原因。當(dāng)然,流體計(jì)算也有其特別的地方,比如說流體計(jì)算存在固體計(jì)算中所不存在的邊界層問題,反映在前處理上則為邊界層網(wǎng)格的生成上。專職的流體前處理軟件可能會(huì)很方便的生成流體邊界層,而固體前處理軟件則需要花費(fèi)更多的時(shí)間來處理這部分工作。

邊界層網(wǎng)格通常為棱柱層網(wǎng)格,主要是因?yàn)檫吔鐚臃秶鷥?nèi)需要網(wǎng)格存在較好的正交性,要求近壁面法向方向網(wǎng)格存在較好的正交性,而且由于邊界層往往都很薄,所以這類網(wǎng)格通常存在很大的長(zhǎng)徑比(幾十、幾百甚至上千)。對(duì)于固體計(jì)算來說,大的長(zhǎng)徑比網(wǎng)格往往是不被允許的,故在固體前處理軟件中對(duì)這類網(wǎng)格進(jìn)行檢查是,很有可能會(huì)被標(biāo)記為不合格網(wǎng)格。這也是利用固體前處理軟件生成流體網(wǎng)格時(shí)需要關(guān)注的內(nèi)容。

另外,在固體有限元計(jì)算中常常存在零維、一維、二維網(wǎng)格,比如說集中質(zhì)量、線網(wǎng)格和板殼網(wǎng)格等,這些網(wǎng)格在流體計(jì)算中均不存在。流體網(wǎng)格中對(duì)于無厚度的面,則僅僅只是對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記,而不會(huì)直接生成所謂的片體網(wǎng)格。除了2D計(jì)算所用的二維網(wǎng)格外,流體計(jì)算使用的是三維網(wǎng)格。更有一些求解器(如CFX等)還不支持2D網(wǎng)格計(jì)算。順便多說一句,就算是2D網(wǎng)格流體計(jì)算,求解器也是默認(rèn)網(wǎng)格存在厚度的。

言歸正傳,目前流體通用計(jì)算前處理軟件很多,比如說目前支持ANSYS系列流體計(jì)算的ICEM CFD,專職做流體計(jì)算網(wǎng)格的PointWise與Gridgen,六面體網(wǎng)格生成軟件GridPro,Altair公司的前處理軟件Hypermesh,希臘ETA CAE System S.A.公司的ANSA等,這些軟件可以說是目前網(wǎng)格生成領(lǐng)域比較流行的工具。當(dāng)然這里不去討論一些軟件自帶的前處理軟件,比如說ANSYS、STAR CCM+、ESI CFD等軟件也都帶有自己的前處理軟件。

一般認(rèn)為,HyperMesh與ANSA更偏重于固體有限元前處理,但是也能夠生成流體計(jì)算網(wǎng)格,它們的優(yōu)勢(shì)在于面網(wǎng)格的生成。ICEM CFD、PointWise與Gridpro更偏重于流體前處理,而Pointwise由于Gridpro只能生成流體網(wǎng)格。ICEM CFD既可以生成流體網(wǎng)格也可以生成固體網(wǎng)格,但更偏重于生成流體網(wǎng)格。這里簡(jiǎn)單介紹一下:

HyperMesh:Altair公司的Hypermesh是一款綜合的前處理軟件,其能夠生成有限元計(jì)算中所需的所有網(wǎng)格類型。對(duì)于流體計(jì)算來說,也能夠較為方便的生成邊界層網(wǎng)格。該軟件采用幾何剖分的方式可以生成全六面體網(wǎng)格。在Hypermesh中,若要利用軟件生成邊界層網(wǎng)格,則軟件會(huì)自動(dòng)將內(nèi)部網(wǎng)格轉(zhuǎn)化成四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,或許用戶可以精細(xì)的調(diào)整邊上的bias以生成邊界層網(wǎng)格,但是個(gè)人認(rèn)為還是比較麻煩的。當(dāng)然也許有更加方便的方式我還沒有找到。不過如果用戶既做流體計(jì)算也做固體計(jì)算的話,強(qiáng)烈推薦使用這個(gè)。

ANSA:此軟件是Hypermesh的直接對(duì)手,在汽車領(lǐng)域應(yīng)用甚廣。所有特性與HM類似。但是在生成六面體網(wǎng)格方面,除了提供類似HM的幾何剖分方式還,似乎還有基于虛擬block拓?fù)涞姆绞?個(gè)人認(rèn)為還是比較好用的。此軟件我接觸得少,不予評(píng)價(jià)。

ICEM CFD:這軟件是被ANSYS收購(gòu)的。起先此軟件被收購(gòu)后主要用于CFX的前處理。后來ANSYS公司收購(gòu)了FLUENT,發(fā)現(xiàn)GAMBIT雖然功能比較強(qiáng)大,但是界面不怎么美觀,畢竟是基于UNIX環(huán)境而開發(fā)的軟件,將其用到Windows下自然不是那么的順暢,需要安裝Exceed,而且還經(jīng)?？D卡頓的。在這種情況下,ANSYS就把ICEM CFD推到了前臺(tái),該軟件也成了ANSYS CFD系列的御用前處理器。而GAMBIT的命運(yùn)就比較悲催了,可能會(huì)在其功能被Mesh模塊完全吸收后消失在人們的視線中。ICEM CFD的功能強(qiáng)大,可以說是CFD前處理領(lǐng)域頂級(jí)軟件。其支持獨(dú)特的虛擬Block拓?fù)錁?gòu)建六面體網(wǎng)格方式,也支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)生成,構(gòu)建邊界層網(wǎng)格也極其方便。當(dāng)然現(xiàn)在也有關(guān)于ICEM CFD生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格方面的一些說法,比如說沒有size function,這讓習(xí)慣了GAMBIT的童鞋很難受。還有就是ICEM CFD生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量超多的問題。當(dāng)然這些都不是什么大問題,可以通過軟件的操作技能的提高得到彌補(bǔ)。除了流體外,ICEM CFD其實(shí)還支持固體有限元網(wǎng)格的生成。對(duì)于主要從事CFD計(jì)算的人們來講,ICEM CFD可以當(dāng)做首選的前處理軟件。其支持絕大多數(shù)流體計(jì)算求解器,更重要的是其能夠無縫的支持FLUENT,而FLUENT網(wǎng)格實(shí)際上已經(jīng)相當(dāng)于流體網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)了,絕大多數(shù)流體求解器其實(shí)也支持輸入FLUENT 的msh網(wǎng)格格式。

Pointwise:來自于軟件gridgen,據(jù)官網(wǎng)介紹,此軟件來自于通用公司研究F-16戰(zhàn)斗機(jī)時(shí)所開發(fā)。該軟件能夠提供對(duì)網(wǎng)格的全面控制,因此適合于CFD高級(jí)用戶。當(dāng)然如果是對(duì)于CFD新手的話,操作此軟件可能會(huì)覺得稍顯麻煩。該軟件同時(shí)提供了結(jié)構(gòu)昂個(gè)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成,能生成極高質(zhì)量的網(wǎng)格。但是此軟件無法生成固體計(jì)算網(wǎng)格。因此如果是專業(yè)的CFD用戶,可選擇此軟件作為前處理器。由于Gridgen與此軟件同出一轍,就不分開討論了。

GridPro:這軟件據(jù)說來頭也聽說,說是專為NASA開發(fā)的CFD前處理器。不過不管其來頭有多大,該軟件無法生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格是一大硬傷。對(duì)于異常復(fù)雜的工業(yè)CFD模型,如果要完全生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,無疑需要耗費(fèi)大量的精力,甚至很多時(shí)候都是難以做到的。不過話說回來,該軟件生成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的確是漂亮得讓人心醉,對(duì)于簡(jiǎn)單易生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的幾何模型,選擇此軟件也是不錯(cuò)的選擇。不過工作中如果常常與復(fù)雜幾何打交道的話,可以說此軟件不太適合。此軟件雖然在6.0版本之后對(duì)GUI進(jìn)行了重要改進(jìn),不過幾何的輸入接口仍然還有極大的提升空間。