ANSYS系列软件网格质量评定及改进策略

1、概述概述 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.2 FLUENT 和CFX 网格质量度量 ANSYS 网格划分的网格度量网格划分的网格度量 Mesh选项中可得到Mesh Metric，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

2、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 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 e min e e emax , 180 max min max 最优 (等边的) 单元 实际单元 球 网格质量度量网格质量度量 e 0 1 完美的 最坏的 最优单元尺寸 单元尺寸 最优单元尺寸 纵横比 = 1 高纵横比四边形 纵横比

3、= 1 高纵横比三角形 网格质量度量网格质量度量 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 User Guide) 对等边三角形或正方形等于1 (理想的) ANSYS 网格质量统计网格质量统计 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standard deviation 在树状略图的Mesh对象下，使用Show Worst Elements 可突出显示最坏单元 FLUENT网格质量考虑事项网格质量考虑事项 FLUENT 需要高质量的网格来避免数值发散 涉及几个网格质量

4、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 FLUENT网格质量要求网格质量要求 对Fluent最重要的网格质量度量是: Skewness Aspect Ratio Cell Size Change (A

5、NSYS 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 Aspect Ratio: 应小于 40, 但取决于流体特性 膨胀层可容忍大于 50 Cell Size Change: 应在1与2之间 差网格质量可能导致不精差网格质量可能导致不精 确求解和缓慢收敛确求解和缓慢收敛 一些程序可能要求比建议一些程序可能要求比建议 值更低的偏斜值值更低的偏斜值 Skewness 和和 Fluent 求解器求解器 不推荐高 skewness 值 一般保持体网格最大 skewness 值 1/3 想要的 正交角 = 90-ac

6、os(ns), 20 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网格正交性网格正交性 CFX网格扩展因子网格扩展因子 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 CFX网格纵横比网格纵横比 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 , 0.98) 退化单元 (偏斜 1) 高纵横比单元 负体积 单元质量改进:

7、改进表面网格质量 移动网格节点 CAD 修整几何问题如尖角, 小边, 合并面和/或分解几何 DM 中Clean-up工具简化几何和它们的实体 ANSYS Meshing程序中不同方法，全局和局部尺寸和参数 ANSYS Meshing 程序中收缩控制消除小特征 ANSYS Meshing 程序中虚拟拓扑以简化几何 改进网格质量策略改进网格质量策略 混杂的混杂的 如果模型包含多个部件或体， 需在Outline 中Geometry对 象下加亮它们来显示网格度量 信息 影响体 (BOI)技术也可用来控 制网格质量和适当局部分解 包括直方图的更多高级网格度 量可通过FEM中FE Modeler Mesh

8、 Metrics展示 也可在CFD 后处理中查看不同 网格质量度量 A-27 汽车集流管的虚拟拓扑 作业 A.1 目标目标 这个作业使用作业 5.2的集流管几何. 这个几何包含很多有问题的小面和尖角。 作业 5.2中, Patch Independent 方法被用来生成了一个高质量网格，而不用 修改几何。这个作业中将使用虚拟拓扑移除问题几何，然后使用默认的Patch Conforming 网格划分方法。 开始项目开始项目 1.启动ANSYS 12.0 Workbench 2.点击左边工具箱中 Component Systems 3.双击 Mesh 选项将其添加到项目示图区 4.在 Projec

9、t Schematic中右击 Geometry 并选择 Import Geometry Browse. 选择 Auto-Manifold.agdb文件 命名选项命名选项 5.接下来, 确定Named Selections 被引入 Meshing: 6.右击 cell A2 然后选择 Properties 7.确保Named Selections 是选中的, 并且 Named Selection Key 是空白的 8.关闭 Properties 窗口 编辑网格编辑网格 9. 编辑网格 (cell A3) 打开网格划分窗口 10.抑制流体区域，对固体划分网格: 选择工具栏的 Body select

10、ion图标 选择内部流体区域, 以致其绿色加亮显示, 然后右击并选择 Suppress Body 网格设置网格设置 11.选择Outline中Mesh 12.在 Details 中设置Physics Preference为CFD 这里假设固体中热传递用CFD求解器求解 13.展开 Sizing 选项，设置: Span Angle Center = Medium Min Size = 1.0 mm Max Face Size = 10.0 mm Max Tet Size = 10.0 mm 14.右击Outline中Mesh 并选择 Preview Surface Mesh 由于体是不可扫掠的,

11、 将应用默认的 Patch Conforming方法 检查网格检查网格 Patch Conforming 方法划分每个单独表面 。在这个几何中将使某些面产生差的网格 质量。 检查表面网格并注意差网格质量区域。通过在Geometry和Mesh 间切换，使 差网格质量区域和下表面几何相联系。这里显示了几个例子: 添加虚拟拓扑添加虚拟拓扑 虚拟拓扑允许合并相邻面，移除不想要的表面几何特征，并生成更高质量网格。 15. 右击 Model (A3) 并选择 select Insert Virtual Topology Virtual Topology项添加到了 Outline 中 Details 中注意

12、Behaviour 设为 Low 16.右击 Virtual Topology 并选择 Generate Virtual Cells 自动使用 “Low” 合并策略创建虚拟单元。 “Medium” 和 “High” 策略可能导致 更多面合并成虚拟单元 虚拟拓扑虚拟拓扑 当选择了Virtual Topology ，指示器会显示所有已创建的虚拟单元。 检查新的表面几何，注意到大多问题面已被合并为一个 cleaner 表 面几何 17.Details 中将 Behaviour 改为Medium 右击 Virtual Topology 并选择 Generate Virtual Cells 注意更多的面

13、合并到虚拟单元 18.尝试使用Behaviour的High选项生成虚拟单 元 如右边所示，这个选项不能作用于这个几 何 19.切换回 Medium 选项，重新生成虚拟单元 检查改进网格检查改进网格 20.重新生成表面网格，并检查前面出现差质量网格的区域 应该发现表面得到很大地改进 21.仍然有些区域的网格需要改进. 下面箭头标示的是其中一个区域. 如果放大并检查几何，会发现表面的边上有个缺陷 手动添加虚拟单元手动添加虚拟单元 22.可手动添加虚拟单元进一步改进网格 拾取工具栏的Face selection 图标 视图方向大约如下所示 (注意 X-Y轴) 从 Outline 中选择Virtual

14、 Topology 选择如下4个面, 然后右击并选择 Insert Virtual Cell 12 4 3 检查改进网格检查改进网格 23.重新生成网格，再次检查前面出现差质量网格的区域。 看到改进的表面网格 如有必要继续添加 Virtual Cells 在某些情况，自动添加可能会合并一些并不想合并的面。可选择Virtual Topology项 下的Virtual Face 并右击 delete来删除个别虚拟单元. 24.右击 Mesh 并选择 Generate Mesh 生成最终固体网格 察看流体察看流体 下一步是创建流体区域的网格 25.在Outline中展开 Geometry Part

15、section 右击第一个固体并选择 Hide Body来 隐藏固体区域 右击被抑制的 (第二个)固体并选择 Unsuppress Body 对第二个选择固体, 在 Details视窗展 开 Graphical Properties section 并设置 Transparency 为1 添加膨胀添加膨胀 26.从Outline选择Virtual Topology 流体区域的虚拟单元早已建立 27.检查自动虚拟单元看是否合理 模型中应该没有小面残留 28.下一步是对流体壁添加膨胀 右击 Mesh 并选择 Insert Inflation 在Geometry栏需选择对应流体区域的固体，然后点击A

16、pply 一旦已选择了固体，在Boundary栏点击 No Selection，出现 Apply / Cancel 按钮 创建流体网格创建流体网格 现在选择模型的非入口或出口的一 个面 从工具栏选择 Extend to Limitst : 选择所有流体壁 点击 Boundary栏的Apply 29.右击Mesh 并选择Generate Mesh 生成最终网格 检查网格质量检查网格质量 30.展开Statistics项并设置 Mesh Metric为Skewness. 注意最大偏斜在FLUENT求解 器可接受范围内. 31.如果生成了无虚拟拓扑的网格, 最大偏斜将相 当高。 无虚拟单元 流体区域

17、网格流体区域网格 无虚拟拓扑 虚拟拓扑 A-44 FLUENT 和 CFX 网格质量度量 作业A.2 目标目标 这个作业将示范如何应用ANSYS 网格划分程序对一内部流动场生成 in is CFD网格 几何表示的是航空航天气阀部分, 已分解为 3 个体 目标是生成包含六面体，棱锥，棱柱和收缩控制四面体单元的共形混合CFD网格，并 对 Fluent 和CFX求解器参数选择检查网格质量 创建网格划分系统创建网格划分系统 1.从开始菜单启动ANSYS Workbench 2.点击左边工具箱的Component Systems 3.双击 Mesh 选项 4.右击 (RMB) Geometry 按钮并选

18、择 Import Geometry (一旦输入了几何文件， 问号标记消失) 5.从指南文件夹输入 Aero-Valve.agdb 文件 6.双击项目示图区的 Mesh 按钮 ，启动网格划分程序 输入几何输入几何 几何几何 7.初始几何是一个固体部件，流体区域在DesignModeler (DM)中被分离出。DM中执 行的其他操作： 定义气阀位置参数 关闭出口端 创建多体部件，并命名 “Fluid” ，材料为 “Fluid” 重命名个别体 ， Named Selection 用来定义 Inlet 和Outlet 尖角处倒圆角以改进网格质量 8. 在网格划分选项面板，选择以下选项: Physics

19、 Preference CFD Mesh Method Automatic 完成选项后点击OK 单位设为 mm 网格划分选项网格划分选项 9.设置全局网格控制参数: 点击 Mesh 来改变设置 校正 Defaults Physics Preference CFD Solver Preference Fluent 或 CFX 最初使用Fluent is used initially, 但CFX 设置的结果也会呈现 设置 Sizing 参数 设置Use Advanced Size Function On: Curvature 设置 Curvature Normal Angle 为 15 设置Min

20、 Size为0.20 mm 保留其它默认设置 全局网格参数全局网格参数 10. 设置 Inflation参数 点击 Use Automatic Tet Inflation 下拉列表并选择 Program Controlled, 保留其它默认值 Maximum Layers设为 4 激活View Advanced Options 11. 设置 Pinch 控制 设置Pinch Tolerance = 0.15 mm 激活 Generate on Refresh 12. Mesh Metrics设为 Skewness ( 对Fluent) 膨胀和收缩参数膨胀和收缩参数 注意注意: Program

21、Controlled Inflation 将对所有没指定Name Selection的边界添加 膨胀. 不对Fluid-Fluid界面添加膨胀 注意注意: Smooth Transition使在膨胀层和四面体网格间按定义的 Growth Rate过渡 注意注意: Layer Compression对Fluent是默认的Collision Avoidance选项 而Stair Stepping 对 CFX默认 注意注意: 当边长度或顶点间距离小于收缩容差的时候，软件将在划分中忽略边或去除 额外的顶点 注意注意: Pinch Tolerance 应小于尺寸功能最小尺寸 13. 建立收缩控制 : 在

22、树状结构图中点击鼠标右键 (RMB (Tree) 选择 Create Pinch Controls 创建10个收缩控制 (展开 Mesh 按钮列出 pinch controls) 收缩控制收缩控制 查看收缩控制查看收缩控制 14.查看收缩控制 Ctrl 鼠标左键 选择 Pinch controls, 在视图窗口会加亮显示 15. 对入口和出口体指定扫掠方法: 扫掠方法扫掠方法 选择Mesh 按钮 选择体 (如下所示) Cursor Mode设为Body Selection 左击 (选择)一可扫掠体 按住 Ctrl 键并选择第二个体 插入方法 在图形窗口点击鼠标右键 (RMB (Window)

23、Insert - Method 出现 “Automatic Method” 表格 在Automatic Method 表格中 从下拉菜单选择Sweep 16. 设置扫掠方法控制 Src/Trg Selection; 选择Manual Source 点击 Source 选择栏 将激活面拾取 按住 Ctrl 键并拾取入口和出口面 点击Apply 额外设置 设置Free Face Mesh Type; All Quad 设置Sweep Num Divs; 20 设置Sweep Bias Type; _ _ _ _ _ 设置Sweep Bias; 4 扫掠方法设置扫掠方法设置 Inlet Outlet

24、 17. 扫掠体上的2D-膨胀: 拾取面; Cursor Mode设为 Face Selection 选择入口和出口面 (绿色的) RMB (窗口) Insert-Inflation 拾取边 Cursor Mode 设为Edge selection 选择环绕入口和出口面的4条边 (红色标记的) 点击Apply 膨胀设置 设置 Maximum Thickness: 3.0 mm 保留所有其他选项 扫掠膨胀扫掠膨胀 18. 模型的表面网格划分: 右击 Mesh 并选择 Preview Surface Mesh 提供网格质量和密度的反馈 Advanced Size Function在扫掠体中创建非常

25、细化的网格, 可通过在入口和出口上定义边间隔来减小尺寸 初始表面网格初始表面网格 边尺寸边尺寸 19. 扫掠体上边网格: 插入 Edge Size ; 激活边拾取 选择环绕入口和出口面的4条边 右击 Insert -Sizing 设置参数 改变Type Number of Divisions; 20 改变 Behavior; Hard 20. 检查膨胀层: (任选的) 右击 Mesh 并选择 Preview Inflation 查看网格 Statistics, 网格尺寸和最大偏斜大约分别是 310000 和 0.92 准备好体网格划分 预览膨胀预览膨胀 . 21. 划分模型: RMB (Tre

26、e) 选择 Generate Mesh 再次检查 Statistics， 单元总数和最大偏斜将大约分别是 926000 和 0.92 Fluent 设置的体网格设置的体网格 . 22. 创建 Section Plane: 点击右下角的Z-轴给模型定向 点击 Selection Plane 图标 按下并按住鼠标左键沿显示的红 色箭头方向移动然后释放 Section Plane的位置可通过移 动滑块来调整 点击 “Show Whole Element” 重新选择旋转按钮调整视图 使用截面位面查看内部网格使用截面位面查看内部网格 23. 旋转几何查看网格 点击鼠标右键(Tree) ，并选择Show

27、Worst Elements 注意到其位置远离主要流场 查看最坏单元查看最坏单元 提示提示: 从View菜单选择 Wireframe 帮助选择单元 CFX 求解器优选项求解器优选项 24. 使用 CFX 求解器优选项 (任选的) 改变Solver Preference: CFX RMB (Tree)选择Generate Mesh 对CFX 求解器的设置，最大偏斜值很高。 25. 检查FEModeler中网格质量(任选的) 网格划分程序 RMB (Tree) Update 关闭网格划分程序 Workbench 2 将FE Modeler拖放到项 目示图区中Mesh上部 双击 Model FEMo

28、deler RMB (Tree) 插入 Mesh Metrics Mesh Metrics 气阀 4 节点 线性四面体 设置 Mesh Metric类型: Aspect Ratio 最大纵横比小于 50 检查检查FEModeler中网格质量中网格质量 . 保存项目保存项目 26.完成了网格 选择File Close 来关闭 FEModeler 在 WB 面板选择 Update 在 WB 面板选择 File Save Project As 并给出项目名 选择File Exit退出ANSYS Workbench ANSYS 网格划分的网格度量网格划分的网格度量 Mesh选项中可得到Mesh Metric，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 ANSYS 网格质量统计网格质量统计 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standard deviation 在树状略图的Mesh对象下