基于CFX—Pre的網(wǎng)格拼接技術(shù)研究

李昂 沈偉 張宇坤

摘 要：針對(duì)各類(lèi)網(wǎng)格劃分軟件生成的網(wǎng)格特征差異明顯、格式不一、無(wú)法直接進(jìn)行拼接處理的問(wèn)題，本文以CFX-Pre提供的非相容計(jì)算域交界面網(wǎng)格處理技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行物理變換及相關(guān)技術(shù)處理，在保證計(jì)算精度并精簡(jiǎn)計(jì)算量的前提下生成格式統(tǒng)一的一體化整機(jī)流場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)格。結(jié)果表明通過(guò)合理運(yùn)用CFX-Pre網(wǎng)格拼接技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同格式異構(gòu)網(wǎng)格的拼接處理，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)雜物理模型的網(wǎng)格建立過(guò)程，對(duì)流場(chǎng)仿真具有重要意義。

關(guān)鍵詞：CFD 異構(gòu)流場(chǎng)網(wǎng)格 網(wǎng)格拼接

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）08（a）-0082-05

網(wǎng)格劃分是CFD數(shù)值計(jì)算的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。進(jìn)行全流場(chǎng)網(wǎng)格劃分，首先多基于流場(chǎng)物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將目標(biāo)流場(chǎng)劃分為若干計(jì)算區(qū)域。利用不同格式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)相應(yīng)軟件分別進(jìn)行各計(jì)算域網(wǎng)格劃分，并通過(guò)技術(shù)手段進(jìn)行非一致或異構(gòu)網(wǎng)格拼接。高效的拼接方法能夠進(jìn)一步提高CFD在工程領(lǐng)域的應(yīng)用效率。

國(guó)外建立了多種針對(duì)CFD應(yīng)用的網(wǎng)格劃分軟件，如Gridgen、ICEM CFD、Gambit、CFD-Geom等，基本解決了CFD應(yīng)用中的流場(chǎng)網(wǎng)格劃分問(wèn)題。但各類(lèi)網(wǎng)格劃分軟件生成的網(wǎng)格格式不同，存儲(chǔ)形式不一致，且各軟件默認(rèn)基礎(chǔ)坐標(biāo)系及尺寸單位等均有不同，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格拼接技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一處理。目前關(guān)于不同格式或異構(gòu)網(wǎng)格拼接方法的研究依然有限，如何通過(guò)技術(shù)處理實(shí)現(xiàn)不同格式網(wǎng)格拼接，是CFD數(shù)值計(jì)算亟需解決的問(wèn)題。

CFX-Pre支持輸入各種類(lèi)型、各種來(lái)源的網(wǎng)格，具有良好的網(wǎng)格兼容性。在此種背景下，利用CFX-Pre前處理功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格拼接是一種可行手段。

本文擬針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算各類(lèi)網(wǎng)格格式及結(jié)構(gòu)特征不一致的問(wèn)題，運(yùn)用CFX-Pre進(jìn)行技術(shù)處理，生成高質(zhì)量一體化全流場(chǎng)網(wǎng)格，為前處理軟件流場(chǎng)網(wǎng)格拼接提供借鑒。

1 導(dǎo)入網(wǎng)格

發(fā)動(dòng)機(jī)各核心氣路部件特征結(jié)構(gòu)存在較大差異，通常運(yùn)用不同網(wǎng)格劃分軟件對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而生成不同格式、不同類(lèi)別的各氣路部件網(wǎng)格。這種劃分方法往往導(dǎo)致各部件網(wǎng)格類(lèi)別差異較大，無(wú)法直接進(jìn)行統(tǒng)一操作。在這種情況下，需通過(guò)技術(shù)手段將各個(gè)網(wǎng)格文件導(dǎo)入至同一前處理軟件并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)處理，以滿(mǎn)足后續(xù)計(jì)算需要。

運(yùn)用各類(lèi)網(wǎng)格劃分軟件創(chuàng)建的三角形/四面體網(wǎng)格（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）或四邊形/六面體網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格），均可通過(guò)網(wǎng)格輸入向?qū)?dǎo)入至CFX-Pre前處理軟件中，并進(jìn)行相應(yīng)技術(shù)處理。

CFX-Pre支持以下格式網(wǎng)格文件：

Anysis Meshing（*.cmdb/*.dsdb）；CFX Mesh（*.gtm/*.cfx）；CFX-Solver Input（*.def/*.res/*.cfg

/*.trn/*.bak）；ICEM CFD（*.cfx/*.cfx5/*.msh）；Anysis（*.cdb/*.inp）；Fluent（*.cas/*.msh）；OGNS（*.cgns/*.cgn）；CFX-TASCflow（*.grd）；CFX-4（*.geo）；CFX-BladeGenPlus（*.bgd）等。

針對(duì)不同格式網(wǎng)格，CFX-Pre共提供以下兩種輸入向?qū)А?/p>

（1）對(duì)于常規(guī)葉輪機(jī)械網(wǎng)格，CFX-Pre在導(dǎo)入過(guò)程中可以自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而自動(dòng)生成網(wǎng)格邊界條件，如圖1所示。

（2）對(duì)于Gambit及ICEM等軟件生成的各類(lèi)異構(gòu)網(wǎng)格，CFX-Pre可以實(shí)現(xiàn)直接讀取，便于后續(xù)網(wǎng)格處理，如圖2所示。

通過(guò)以上兩種網(wǎng)格輸入向?qū)?，將通過(guò)各類(lèi)網(wǎng)格劃分軟件得到的網(wǎng)格文件導(dǎo)入至CFX-Pre前處理軟件，以便進(jìn)行后續(xù)技術(shù)處理，最終生成高質(zhì)量一體化網(wǎng)格。

2 網(wǎng)格變換

由于各軟件在網(wǎng)格劃分過(guò)程中默認(rèn)的基礎(chǔ)坐標(biāo)系及尺寸單位、劃分方法等均有不同，統(tǒng)一導(dǎo)入的各部件網(wǎng)格往往具有錯(cuò)誤的物理關(guān)系，需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)變換處理，使坐標(biāo)系及尺寸鏈保持一致。

CFX-Pre允許用戶(hù)通過(guò)不同手段修改導(dǎo)入的網(wǎng)格文件，包括網(wǎng)格平移變換、旋轉(zhuǎn)變換、映射變換及放縮變換等。

2.1 平移變換

通過(guò)指定節(jié)點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)偏移量，或定義平移前后三維坐標(biāo)，均可以進(jìn)行網(wǎng)格平移操作。同時(shí)，CFX-Pre允許用戶(hù)進(jìn)行多倍復(fù)制，并保留原始網(wǎng)格模型，如圖3所示。

運(yùn)用網(wǎng)格平移功能，并定義計(jì)算域交界面相應(yīng)計(jì)算方法，可以將不同計(jì)算域進(jìn)行拼接，進(jìn)而生成完整計(jì)算區(qū)域，同時(shí)需要注意的是，坐標(biāo)偏移量可以為負(fù)值，如圖4所示。

為縮減計(jì)算量，進(jìn)而達(dá)到簡(jiǎn)化求解過(guò)程的目的，在CFX-Pre中可以將多重計(jì)算域合并為單一計(jì)算域，便于后續(xù)邊界條件的設(shè)定。在邊界條件設(shè)定過(guò)程中，針對(duì)每個(gè)計(jì)算域所包含的表面，必須進(jìn)行相關(guān)定義。當(dāng)計(jì)算域特征相似或相同時(shí)，計(jì)算域表面（如壁面、壓力入口、壓力出口等）的設(shè)定將花費(fèi)較多時(shí)間及精力。這種情況下，進(jìn)行計(jì)算域合并便可體現(xiàn)其優(yōu)越性。

2.2 旋轉(zhuǎn)變換

由圖5可知，通過(guò)定義旋轉(zhuǎn)主軸、旋轉(zhuǎn)方向及相應(yīng)旋轉(zhuǎn)角度可以對(duì)目標(biāo)網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換。對(duì)于旋轉(zhuǎn)主軸，CFX-Pre提供直觀定義及矢量定義兩種方法。

圖6為對(duì)某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道網(wǎng)格進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，實(shí)現(xiàn)與進(jìn)口導(dǎo)流葉片的網(wǎng)格拼接，生成一體化計(jì)算區(qū)域。

2.3 映射變換

CFX-Pre同樣提供針對(duì)目標(biāo)網(wǎng)格的映射變換。這里提供多種映射平面定義方法：可以直接選定坐標(biāo)平面也可定義3個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)確定映射平面，進(jìn)而依據(jù)需求對(duì)目標(biāo)網(wǎng)格進(jìn)行映射，如圖7所示。

需注意的是，映射變換通常以坐標(biāo)平面為映射平面，故對(duì)目標(biāo)進(jìn)行映射變換后，往往還需對(duì)目標(biāo)進(jìn)行平移變換等技術(shù)處理，同時(shí)針對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格交界面進(jìn)行合理拼接，從而生成流場(chǎng)計(jì)算所需的一體化網(wǎng)格。

2.4 放縮變換

定義放縮因子，及放縮變換參考坐標(biāo)，可對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行放縮變換，進(jìn)而修正不同軟件所劃分網(wǎng)格存在的尺寸差異。需注意的是，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行放縮后，所劃分的網(wǎng)格單元會(huì)進(jìn)行同樣的放縮變換，如圖9、圖10所示。

某型渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)各氣路部件網(wǎng)格劃分過(guò)程中，為滿(mǎn)足計(jì)算精度需要，劃分高質(zhì)量計(jì)算域網(wǎng)格，針對(duì)燃燒室、螺旋槳計(jì)算域及柱體包裹區(qū)域均采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格由于不具備規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)分布隨意等特點(diǎn)，可以較好地適應(yīng)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形的計(jì)算區(qū)域。

進(jìn)氣道、壓氣機(jī)及渦輪等典型葉輪式部件采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格往往具有更好的網(wǎng)格質(zhì)量，具備網(wǎng)格生成速度快、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以在保證計(jì)算精度的前提下縮減計(jì)算量，進(jìn)而提高計(jì)算效率，如圖11所示。

各氣路部件結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格統(tǒng)一導(dǎo)入至CFX-Pre中，并依據(jù)制定的整機(jī)尺寸鏈對(duì)各部件網(wǎng)格進(jìn)行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)、平移、映射及放縮變換，通過(guò)網(wǎng)格拼接生成發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)計(jì)算域一體化網(wǎng)格，滿(mǎn)足后續(xù)整機(jī)流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算分析需要，如圖12所示。

3 網(wǎng)格拼接原理

僅對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行物理變換無(wú)法實(shí)現(xiàn)交界面數(shù)據(jù)傳遞，還需進(jìn)一步對(duì)各計(jì)算域網(wǎng)格交界面進(jìn)行技術(shù)處理。

當(dāng)拼接計(jì)算域具有非一致網(wǎng)格邊界，即兩個(gè)相鄰計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置并不相同時(shí)，CFX-Pre首先計(jì)算組成邊界的界面區(qū)域交叉點(diǎn)，并依據(jù)交叉情況完成流過(guò)網(wǎng)格交界面的數(shù)值計(jì)算。由圖13可知，界面區(qū)域由A-B、B-C、D-E、E-F組成，并在交界面處產(chǎn)生面a-d、d-b、b-e、e-c。當(dāng)計(jì)算由交界面流入單元Ⅳ時(shí)，面D-E即被忽略，而面d-b和b-e被使用，并分別將信息由單元Ⅰ和單元Ⅲ帶入至單元Ⅳ中。

當(dāng)計(jì)算域交界面相容性較差，且計(jì)算域具有周向運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，CFX-Pre提供另一種拼接方法Mixing-Plane，依據(jù)流場(chǎng)流動(dòng)方向定義上游交界面及下游交界面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)計(jì)算域交界面網(wǎng)格拼接，如圖14所示。

在Mixing-Plane拼接方法中，將流體區(qū)域近似為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題進(jìn)行求解，將相鄰區(qū)域流場(chǎng)數(shù)據(jù)在動(dòng)、靜區(qū)域交界面沿周向進(jìn)行加權(quán)平均，并作為邊界條件進(jìn)行傳遞。同時(shí)Mixing-Plane允許設(shè)置周期性邊界條件，可以極大地簡(jiǎn)化旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)數(shù)值模擬的計(jì)算量。

通過(guò)上述技術(shù)處理，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各氣路部件網(wǎng)格文件進(jìn)行相應(yīng)處理，進(jìn)而生成可以用于流場(chǎng)計(jì)算的高質(zhì)量統(tǒng)一前處理網(wǎng)格文件為后續(xù)流場(chǎng)仿真分析做出鋪墊。

4 結(jié)語(yǔ)

網(wǎng)格劃分是航空發(fā)動(dòng)機(jī)流場(chǎng)計(jì)算前處理的重要一環(huán)。發(fā)動(dòng)機(jī)各核心氣路部件結(jié)構(gòu)特征區(qū)別較大，通過(guò)相應(yīng)網(wǎng)格劃分軟件生成的網(wǎng)格往往存在明顯差異。本文通過(guò)運(yùn)用CFX-Pre提供的不相容計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格交界面處理技術(shù)，針對(duì)不同格式及不同類(lèi)型網(wǎng)格不易進(jìn)行拼接計(jì)算的問(wèn)題提供了一種可行的通用處理方法，通過(guò)對(duì)網(wǎng)格文件進(jìn)行物理變換，并對(duì)計(jì)算域交界面進(jìn)行技術(shù)處理，生成數(shù)值計(jì)算所需的高質(zhì)量一體化網(wǎng)格文件，進(jìn)而滿(mǎn)足后續(xù)計(jì)算需求，同時(shí)為Fluent、Anysis等商用軟件網(wǎng)格拼接提供一種可借鑒的技術(shù)手段。

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