Aby wygenerować siatkę objętości skończonych dla CFD, model musi być poprawny topologicznie. W RWIND 3 granice modelu są zdefiniowane za pomocą trójkątów. Termin "topologicznie poprawny" oznacza, że trójkąty te muszą tworzyć zamkniętą siatkę trójkątną - każdy brzeg siatki ma dokładnie dwa sąsiednie trójkąty, a trójkąty nie mogą się przecinać ani stykać ze sobą, z wyjątkiem wspólnych krawędzi i wirów. W rzeczywistości dokładna definicja modelu „topologicznie poprawnego” jest bardziej skomplikowana, ale nie chcemy tu wchodzić we wszystkie szczegóły.
Typowe modele CAD często nie są poprawne topologicznie. Trójkąty obiektu 3D przecinają trójkąty innych obiektów, granica modelu nie jest zamknięta itd. Wstępne przetworzenie takich modeli do analizy CFD może być bardzo obszerne i zajmuje 60-80% czasu inżyniera. Ułatwienie tej pracy jest zatem jedną z najsilniejszych cech RWIND 3. Udało się to osiągnąć poprzez zastosowanie tak zwanego modelu uproszczonego. Uproszczony model jest reprezentowany przez specjalną siatkę "owijającą" oryginalny model. Siatka ta jest topologicznie poprawna i dlatego może być wykorzystana jako model brzegowy do wygenerowania siatki 3D objętości o skończonej objętości do obliczeń CFD.
Typy siatki modelu
W RWIND 3 istnieje 5 typów siatek, z których każdy odgrywa własną rolę w procesie obliczeń. Oto ich przegląd, od oryginalnego modelu siatki w RFEM 6 do siatki obliczeniowej RWIND 3:
Pierwotna siatka modelu
Siatki utworzone na podstawie oryginalnej siatki MES w programie RFEM 6. Istnieją dwa typy:
- M1: Siatka oparta na siatce MES modelu w programie RFEM 6 lub zaimportowanym modelu stl.
- M2: Rozdrobniona siatka dla lepszego graficznego przedstawiania wyników na oryginalnym modelu. RWIND 3 zagęszcza pierwotną siatkę modelu w celu lepszego przenoszenia wyników z powierzchni obliczeniowej do oryginalnego modelu.
Uproszczona siatka modelu
Siatka wygenerowana przez RWIND 3
- M3: Siatka utworzona przez „shrink-wrapping” poprawia topologię siatki M1. Proces „shrink-wrapping” tworzy uproszczony model złożonej konstrukcji, zmniejszając poziom szczegółowości modelu oryginalnego. Siatka "shrink-wrapping" jest następnie wykorzystywana jako wejściowa siatka graniczna do obliczeń CFD w OpenFOAM.
Siatka modelu obliczeniowego
Siatki generowane przez OpenFOAM. Istnieją dwa typy:
- M4: Powierzchniowa siatka obliczeniowa stworzona przez OpenFOAM na podstawie siatki M3, stanowiącej podstawę (siatka graniczna) do generowania trójwymiarowej siatki M5 objętości. Po zakończeniu obliczeń wyniki powierzchni są wyświetlane na tej siatce powierzchni (siatka obliczeniowa).
- M5: Objętościowa siatka 3D wygenerowana przez snappyHexMesh na podstawie siatki powierzchni granicznych (M4). Aby dowiedzieć się więcej o procesie generowania siatki, odwiedź stronę tutaj. Siatka M5 wypełnia trójwymiarową domenę przepływu wokół modelu, a po obliczeniach wyświetlane są wyniki pola przepływu.
Uproszczenie modelu
Uproszczony model automatycznie rozwiązuje większość problemów, które w przeciwnym razie musiałyby zostać naprawione ręcznie. Problemy te obejmują:
- Niepotrzebne szczegóły (patrz punkt 1 na ilustracji Imperfekcje topologiczne): szczegóły, które nie są istotne dla danej symulacji i mogą powodować niestateczność obliczeń z powodu niewystarczająco dokładnej dyskretyzacji.
- Przecięcie trójkątów (patrz punkt 2)
- Otwarte krawędzie i powierzchnie o zerowej grubości (patrz punkt 3)
- Otwory, przez które ciecz (wiatr) wpływa do wnętrza budynku (patrz punkt 4)
Ilustracja poniżej modeli uproszczonych przedstawia przykłady modeli korygowanych automatycznie.
W uproszczeniu modelu można określić poziom szczegółowości oraz maksymalną wielkość zamykanych otworów. Zastosowanie modelu uproszczonego do określenia obciążenia wiatrem budynku opiera się na następującym założeniu: jeżeli model uproszczony jest dobrze zbliżony do kształtu oryginalnego, obciążenie obliczone dla modelu uproszczonego również będzie aproksymowane do prawidłowych wartości.
Chociaż w większości przypadków zalecany jest model uproszczony, użytkownik może wyłączyć tę opcję i wykorzystać do obliczeń granice zaimportowanego modelu. Opcja ta jest jednak zalecana tylko dla zaawansowanych użytkowników, mających doświadczenie w analizach CFD.
Ekstrapolacja wyników
Po obliczeniach mamy wyniki na siatce obliczeniowej i musimy przenieść je na powierzchnię oryginalnego modelu (tj. "Oryginalna siatka"). W tym celu RWIND wykorzystuje proces ekstrapolacji opisany poniżej.
Proces ekstrapolacji można podzielić na dwie główne części:
1. Lokalizowanie trójkątów granicznych
Proces ekstrapolacji rozpoczyna się od zlokalizowania trójkątów granicznych siatki na powierzchni modelu. Poszukujemy trójkątów, których środek ciężkości znajduje się wystarczająco blisko oryginalnej siatki. Podczas tego procesu uwzględniane są określone kryteria, np. trójkąty nie mogą nakładać się na siebie itp.
2. Ekstrapolacja ciśnienia na pierwotną siatkę modelu
Następnie dla każdego trójkąta brzegowego oryginalnej siatki znajdujemy odpowiedni punkt na siatce obliczeniowej i znajdujemy tam wartość ciśnienia.
Aby znaleźć punkt na siatce obliczeniowej, najpierw konstruujemy normalną n w środku trójkąta S, a następnie znajdujemy wynikowy punkt na przecięciu normalnej n z trójkątem siatki obliczeniowej, patrz obrazek poniżej. Jeżeli wynikowego punktu nie można znaleźć w ten sposób, przyjmowany jest najbliższy możliwy punkt w sąsiednim obszarze.
Jeżeli uda nam się znaleźć odpowiedni punkt na siatce obliczeniowej, wykorzystujemy wartość ciśnienia w tym punkcie i przenosimy ją na cały trójkąt oryginalnej siatki, patrz obraz. Wynikiem tego procesu są wartości ciśnienia w każdym trójkącie oryginalnej siatki modelu. Na powierzchni modelu wartości te są niezerowe (wartości dodatnie = ciśnienie, wartości ujemne = ssanie), a na pozostałej części modelu ciśnienie wynosi zero. Następnie można obliczyć siły działające w środkach trójkątów, wywołane ciśnieniem wywołanym przez powierzchnię trójkątów. Siła działa w kierunku normalnym do trójkąta.
Sprawdzanie siatki obliczeniowej przed obliczeniami
RWIND ma domyślnie bardzo dobrze ustawione parametry siatki obliczeniowej dla wielu modeli (poziom szczegółowości itp.), ale zakres zastosowań RWIND jest bardzo szeroki i nie dla wszystkich modeli ustawienia domyślne mogą być idealne.
Jeżeli podejrzewamy, że nasz model wymaga bardziej szczegółowych ustawień (np. szczegóły budynku odgrywają istotną rolę w symulacji przepływu wiatru), dobrze jest przed obliczeniami sprawdzić siatkę obliczeniową. Poniższy image pokazuje, jak wyświetlić obie siatki.
Wskazówki, na co zwrócić uwagę:
- Czy wygenerowana siatka obliczeniowa w wystarczającym stopniu oddaje geometrię modelu, czy stopień uproszczenia jest zbyt duży, patrz image poniżej.
