Для создания сетки конечных объемов для CFD модель должна быть топологически правильной. В RWIND 3 границы модели определяются с помощью треугольников. Термин «топологически правильный» означает, что эти треугольники должны образовывать замкнутую треугольную сетку - каждое край сетки имеет ровно два смежных треугольника, и эти треугольники не должны пересекаться или касаться друг друга, кроме общих краев и вихрей. На самом деле, точное определение «топологически правильной» модели более сложное, но мы не будем здесь вдаваться в подробности.
Типичные модели CAD часто не являются топологически правильными. Треугольники 3D-объекта пересекаются с треугольниками других объектов, граница модели не замкнута и т.д. Предварительная обработка таких моделей для расчета CFD может быть очень обширной и требует 60-80% времени инженера. Поэтому облегчение этой работы является одной из самых сильных функций RWIND 3. Это было достигнуто путем применения так называемой упрощенной модели. Упрощенная модель представлена специальной сеткой, «обволакивающей» исходную модель. Эта сетка является топологически правильной и поэтому может использоваться в качестве границы модели для создания 3D сетки конечного объема для расчета CFD.
Типы сетки модели
В RWIND 3 существует 5 типов сеток, у каждого из которых есть свою роль в процессе расчёта. Вот их обзор, от исходной сетки модели RFEM 6 до вычислительной сетки RWIND 3:
Исходная сетка модели
Сетки, созданные на основе исходной сетки МКЭ в RFEM 6. Существует два типа:
- M1: Сетка основана на сетке МКЭ модели RFEM 6 или импортированной модели stl.
- M2: Уплотнение сетки для лучшего графического отображения результатов на исходной модели. RWIND 3 детализирует исходную сетку модели для лучшего переноса результатов из расчетной сетки поверхности в исходную модель.
Упрощенная сетка модели
Сетка, созданная в RWIND 3
- M3: Сетка, созданная с помощью термоусадочной пленки, топологически улучшает сетку M1. В процессе термоусадочной пленки создается упрощенная модель сложной конструкции, что понижает уровень детализации исходной модели. Затем термоусадочная сетка используется в качестве входной граничной сетки для расчета CFD в OpenFOAM.
Сетка вычислительной модели
Сетки, созданные OpenFOAM. Существует два типа:
- M4: Вычислительная сетка поверхности, созданная OpenFOAM на основе сетки M3, которая является основой (граничной сеткой) для создания объемной 3D сетки M5. После выполнения расчета, результаты поверхности отображаются на данной сетке поверхности (вычислительная сетка).
- M5: Сетка объема 3D, созданная snappyHexMesh на основе сетки граничной поверхности (M4). Чтобы узнать подробнее о процессе создания сетки, перейдите по ссылке здесь. Сетка M5 заполняет область 3D потока вокруг модели, и после расчета на ней отображаются результаты поля потока.
Упрощение модели
Упрощенная модель автоматически исправляет большинство проблем, которые в противном случае нужно было бы исправлять вручную. Эти проблемы включают в себя:
- Необязательные подробности (см. точку 1 на рисунке Топологические несовершенства): подробности, которые не имеют отношения к данному моделированию и могут вызвать нестабильность расчета из-за недостаточно тонкой дискретизации.
- Пересечение треугольников (см. пункт 2)
- Открытые края и поверхности с нулевой толщиной (см. Пункт 3)
- Отверстия, через которые текучая среда (ветер) течет во внутреннюю часть здания (см. пункт 4)
На изображении упрощенных моделей ниже показаны некоторые примеры автоматически исправленных моделей.
При упрощении модели можно указать уровень детализации, а также максимальный размер отверстий, которые необходимо закрыть. Использование упрощенной модели для определения ветровой нагрузки на здание основано на следующем предположении: если упрощенная модель хорошо соответствует форме исходной модели, то нагрузка, рассчитанная для упрощенной модели, также будет приближена к правильным значениям.
Хотя в большинстве случаев рекомендуется использовать упрощенную модель, пользователь может отключить эту функцию и применить для расчетов импортированные границы модели. Тем не менее, эта опция рекомендуется только для опытных пользователей, имеющих опыт расчета CFD.
Экстраполяция результатов
После завершения расчета у нас есть результаты на расчетной сетке, и их необходимо перенести на поверхность исходной модели (т.е. «Исходную сетку»). Для этого RWIND применяет процесс экстраполяции, описанный ниже.
Процесс экстраполяции можно разделить на две основные части:
1. Расположение граничных треугольников
Процесс экстраполяции начинается с определения местоположения граничных треугольников сетки на поверхности модели. Мы ищем треугольники, центр тяжести которых расположен достаточно близко к исходной сетке. В ходе этого процесса учитываются определенные критерии, например, треугольники не должны перекрывать друг друга и т.д.
2. Экстраполяция давления на сетку исходной модели
Затем для каждого граничного треугольника исходной сетки находим подходящую точку расчетной сетки и находим в ней значение давления.
Чтобы найти точку на расчетной сетке, мы сначала построим нормаль n в центре треугольника S, а затем найдем результирующую точку в пересечении нормали n с треугольником расчетной сетки, см. изображение ниже. Если результирующая точка не может быть найдена таким образом, то берется ближайшая возможная точка в прилегающей области.
Если нам удается найти подходящую точку на расчетной сетке, мы используем значение давления в этой точке и переносим его на весь треугольник исходной сетки, как показано на изображении. Результатом этого процесса являются значения давления в каждом треугольнике исходной сетки модели. На поверхности модели эти значения ненулевые (положительные значения = давление, отрицательные значения = подсос), а на остальной модели давление равно нулю. Теперь можно рассчитать силы, действующие в центрах треугольников из-за давления, вызванного их поверхностями. Направление силы лежит в направлении нормали к треугольнику.
Проверка расчетной сетки перед вычислением
В программе RWIND есть параметры расчетной сетки, установленные по умолчанию для многих моделей (уровень детализации и т.д.), но спектр приложений RWIND очень широк, и не для всех моделей настройки по умолчанию могут быть идеальными.
Если мы думаем, что нашей модели требуются более конкретные настройки (например, детали здания играют важную роль в моделировании воздушного потока), то рекомендуется перед расчетом проверить расчетную сетку. На следующем изображении показано, как отобразить обе сетки.
Несколько советов, на что нужно обратить внимание:
- Достаточно ли точно отражает созданная расчетная сетка геометрию модели и не является ли упрощение слишком высоким, посмотрите на изображении ниже.
