HyperMesh和自定義導(dǎo)出模板簡(jiǎn)化CFD分析

2016-10-18 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

項(xiàng)目介紹

亞利桑那州立大學(xué)(ASU)的物質(zhì)運(yùn)輸和能源工程學(xué)院(SEMTE),希望通過使用商業(yè)化的通用前處理軟件HyperMesh,來完成復(fù)雜幾何外形的網(wǎng)格劃分,以便在譜元法計(jì)算流體程序Nek5000中使用。由于CFD計(jì)算程序需要使用3D六面體單元,在使用Nek5000程序時(shí)就會(huì)遇到劃六面體網(wǎng)格的挑戰(zhàn)。

SEMTE的科研人員創(chuàng)建了一項(xiàng)研究項(xiàng)目,來開發(fā)HyperMesh網(wǎng)格和Nek5000代碼間轉(zhuǎn)化的工具。這個(gè)轉(zhuǎn)化工具可以將HyperMesh網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為Nek5000程序可識(shí)別的格式。在使用這個(gè)導(dǎo)出模板后,整個(gè)流程具有了更好的用戶體驗(yàn)并且更加不容易出錯(cuò)。首先在HyperMesh中生成網(wǎng)格,然后在導(dǎo)出模板中整理好所有的數(shù)據(jù)并將其分類,以便網(wǎng)格能夠以Nek5000的正確格式導(dǎo)入到用戶模塊中。

挑戰(zhàn)

綜合模擬計(jì)算流體實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開發(fā)并利用了許多工具應(yīng)用于并行計(jì)算機(jī),研究分析復(fù)雜的工程問題和物理系統(tǒng)。他們用開源的計(jì)算流體求解器Nek5000來進(jìn)行他們的研究。Nek5000是基于譜元法的一個(gè)求解器,由阿貢國家實(shí)驗(yàn)室提供技術(shù)支持。Nek5000被廣泛的應(yīng)用于許多問題中,比如反應(yīng)堆堆芯熱工水力學(xué)、血管流動(dòng)、大氣和海洋建模以及燃燒等領(lǐng)域。SEMTE的科研人員使用這個(gè)程序來研究一些領(lǐng)域的基本的物理問題,比如熱傳遞問題和湍流問題,它們目前的商業(yè)應(yīng)用主要是在航空航天和風(fēng)能行業(yè)。該團(tuán)隊(duì)(綜合模擬計(jì)算流體實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)隊(duì))正在開發(fā)各種應(yīng)用來提高Nek5000的功能。

Nek5000采用了譜元法,將有限元求解器的幾何靈活性與全局譜元法的高精度特性相結(jié)合。這個(gè)程序的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠以很高的精度來研究十分復(fù)雜的流動(dòng)形式,包括幾何上的復(fù)雜性和多組分/多物理流動(dòng)。

對(duì)于高保真方法預(yù)測(cè)的湍流流動(dòng),比如直接數(shù)值模擬法,在這種方法下,N-S方程在足夠精細(xì)的網(wǎng)格上被離散,所有尺度的運(yùn)動(dòng)都得到直接的求解,不需要模型。這是一種優(yōu)秀的方法,它具有最小的離散度和耗散誤差。使用Nek5000最大的困難在于它要求采用3D六面體單元。通常來說,大多數(shù)CFD軟件使用四面體網(wǎng)格,因?yàn)閷?duì)于一般的幾何外形,四面體網(wǎng)格更加容易生成。這給亞利桑納州立大學(xué)的研究人員們帶來了挑戰(zhàn)——如何利用多功能、先進(jìn)的網(wǎng)格劃分軟件(如HyperMesh)。在使用Nek5000的時(shí)候,生成高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格。

“我很高興能使用HyperMesh,我認(rèn)為它是我用過的最好的網(wǎng)格生成工具。從很多方面來講,它都是一個(gè)非常有價(jià)值的軟件。比如它出色的參考資料,這些資料都十分容易獲得,對(duì)于其他的商用軟件而言就不一定了。使用HyperMesh后,我們?cè)谠S多問題上的工作效率都變快了,劃分網(wǎng)格的流程也十分簡(jiǎn)單。事實(shí)上,在過去的一年里,我們團(tuán)隊(duì)里面的碩士生有一半使用過HyperMesh自定義導(dǎo)出模塊,為研究流經(jīng)幾何結(jié)構(gòu)的流動(dòng)生成網(wǎng)格,否則這些網(wǎng)格將不能被識(shí)別?！?/span>

Philip Sakievich

博士生、助理研究員

亞利桑那州立大學(xué)航空航天與機(jī)械工程系

解決方案

為了應(yīng)對(duì)這項(xiàng)挑戰(zhàn),綜合模擬計(jì)算流體實(shí)驗(yàn)室的研究人員立了一個(gè)課題來研究開發(fā)轉(zhuǎn)換工具,使從商用軟件HyperMesh中導(dǎo)出的網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為Nek5000程序能夠使用的格式。在這個(gè)課題開始前,研究人員還沒有一個(gè)劃分網(wǎng)格的流程。大多數(shù)的網(wǎng)格劃分都是由15-20年前開發(fā)的定制軟件來處理的,而且這些軟件從那以后只有較少的更新。另外一些用戶針對(duì)一些特定的問題,在一些軟件比如Matlab中,創(chuàng)建他們自己的網(wǎng)格劃分工具。當(dāng)處理不規(guī)則幾何外形的時(shí)候就變得更加復(fù)雜了。在建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的流程的時(shí)候,一個(gè)成熟的工具比如HyperMesh是很有必要的,因?yàn)樗试S用戶通過幾何劃分網(wǎng)格。 SEMTE的研究人員選擇HyperMesh,是因?yàn)樗辛⒂谇蠼馄?出眾的參考文檔,以及開放的架構(gòu)。

“使用HyperMesh后,我們團(tuán)隊(duì)能生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。此外,由于它能讀取所有的常用網(wǎng)格格式,其它團(tuán)隊(duì)用另外一些軟件劃分的網(wǎng)格,我們可以用它進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這極大的增加了我們與其他研究人員的合作能力,并且這使得我們能集中更多精力在我們關(guān)心的實(shí)際研究問題上。這都是我們團(tuán)隊(duì)獲得的好處。”Philip Sakievich說道。

有了工具后,工程師們開始研究一些很小的問題,這些問題由5到10個(gè)單元組成。在項(xiàng)目的過程中,他們一直在開發(fā)和調(diào)試程序,隨后在更大的范圍去測(cè)試。經(jīng)過幾周的深入研究和編寫程序,這些研究人員最終確定了導(dǎo)出模板,編寫了一個(gè)總體上對(duì)用戶更友好、更不容易出錯(cuò)的流程。網(wǎng)格在HyperMesh中生成以后,導(dǎo)出模板將所有的數(shù)據(jù)組織分類,以便它能在Nek5000中以需要的格式在用戶模板中導(dǎo)入。轉(zhuǎn)換工具先將每個(gè)單元的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)從原始的HyperMesh格式轉(zhuǎn)換成Nek5000的數(shù)據(jù)格式。用戶也通過HyperMesh施加了邊界條件,這些數(shù)據(jù)將在幾何轉(zhuǎn)換完成后,轉(zhuǎn)換成Nek5000的格式。然后所有的這些數(shù)據(jù)都被寫入到一個(gè)文件中,這個(gè)文件就可以提交到Nek5000中進(jìn)行求解。工程師們也為網(wǎng)格加入了邊界點(diǎn),以便增加幾何的可變形特性,并且轉(zhuǎn)換器會(huì)自動(dòng)識(shí)別這個(gè)基于HyperMesh的單元類型的信息。

HyperMesh中動(dòng)脈瘤網(wǎng)格

Nek5000中動(dòng)脈瘤的CFD仿真

HyperMesh到Nek5000模型

結(jié)論

亞利桑那州立大學(xué)物質(zhì)運(yùn)輸和能源工程學(xué)院的研究人員和學(xué)生們?nèi)缃裼幸粋€(gè)普遍的可使用方法,他們幾乎可以對(duì)任何的程序中的復(fù)雜幾何外形,用基于譜元法的CFD程序Nek5000來進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。目前有計(jì)劃進(jìn)一步加強(qiáng)轉(zhuǎn)換器功能,將其返工以便優(yōu)化它的性能,使得它運(yùn)行得更加快。

HyperMesh和自定義導(dǎo)出模塊有利于:

建立一個(gè)用戶友好的通用網(wǎng)格劃分流程
為先進(jìn)的高度集成工程的工作流程打開了一扇門
加強(qiáng)與使用不同工具的研究人員的合作能力
提升所有學(xué)生在這些項(xiàng)目上的學(xué)習(xí)效率
在各種分析任務(wù)中得到更好更精確的結(jié)果
能對(duì)具有復(fù)雜幾何外形的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算

亞利桑那州立大學(xué)是一個(gè)追求卓越、成功和影響力的大學(xué),它為美國創(chuàng)建研究性大學(xué)建立了一個(gè)新的模式。亞利桑那州立大學(xué)致力于公共利益的研究,對(duì)周邊的社區(qū)的經(jīng)濟(jì)、社交和文化繁榮承擔(dān)著亞利桑那州立大學(xué)物質(zhì)運(yùn)輸和能源工程學(xué)院包含了力學(xué)、航空航天、材料和化學(xué)工程。

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