相信不少流体工程师在实际的仿真工作中都遇到过类似的问题:自动生成体网格之后,要么网格的扭曲度过高(通常是skewness>0.98),求解器难以接受;要么扭曲度符合要求,网格数量却又过大(大几百万或上千万),此时计算机硬件无法读入和计算,甚至有些干脆连网格都画不出来了。
图1 网格在相切的位置出现了大扭曲度的情况(skew>0.98)
那么,为什么会出现这样两种极端的情况呢?除了他们俩之外,有没有折中的办法可以选择呢?其实,出现这些问题的本质原因,实际上是几何简化的问题。
通常,当几何修复工作的几位“医生”下班之后,接下来就进入到几何简化的工作流程了。实际上,对比几何修复的工作,几何简化的工作要相对更为简单一些,因为我们只对修复好的实体进行操作,这样,出现操作错误的几率就会大大下降;使用的软件工具,也远远少于修复工作。
● 几何简化的前提条件:修复几何工作完成。
当然,对于一些特殊的情况,修复和简化可以交替进行。比如因为简化的需要,而修改一些特征,那就会采用“先删除、后修补”的办法来进行。
如果仿真区域需要大规模重建,(当然前提是重建的工作效率要远远高于逐步简化,比如有大量的复杂圆角需要删除)那么此时几何简化的工作似乎就可以省略掉了;当然,省掉的也包括修复的工作。
实际的仿真工作中,并不是所有的前处理都需要几何简化(和几何修复的),比如我们使用Fluent Meshing中的包裹功能(Wrap),它可以直接处理“脏”几何,同时也可以涵盖简化的部分功能。那么这些情况下,几何简化的思路就是另外一种情况了。
● 几何简化的对象
几何简化的对象是相对灵活的:大部分的时候是固体区域,因为这样最为合理,能够保证整个流程的正确性。比如说流固耦合换热问题,固体需要参加仿真,那就先简化固体区域,再抽取流场,这样流体与固体之间就不会出现干涉和缝隙;
其余小部分的情况直接简化流体区域,因为这样可以提高工作效率。经常出现在单实体流场问题中,因为固体表面上(不和流场接触的)很多细节是不需要包含在计算中的,简化也是做无用功。
图2 常见的几何简化(修复)方式
● 需要几何简化的场景
所有需要几何简化的场景都需要流体工程师进行权衡。所以这些问题的特征都是相对的,只有充分考量所有具备的条件之后,才能做出最优的选择。
场景一:几何中存在相对复杂的次要特征
CAE仿真的本质仍旧是工程,我们必须要将工作效率放在首位。过多的次要特征会极大的降低工作效率,而且这些复杂的特征对我们主要关注的区域,几乎不会产生任何影响。所以,原则上这一类特征是必须要简化掉的,而且通常不需要工程师进行额外的权衡。
图3 螺钉就是CFD仿真中最为常见的次要特征
场景二:主要关注区域的细节特征过于复杂
这一类情况必须要首先权衡,是要保特征?还是要效率?当然,无论哪种选择都是有道理的,没有对错,只有是否合适。
对于这一类问题,通常是采用相对折中的方法,进行一些有限范围内的简化:如在圆角的处理过程中,半径小于某个数值的进行简化,大于的则保留;或者是在小的台阶、短边区域进行一些对齐操作,尺寸上也规定一个上限来限制,避免过多的破坏原始几何形状。