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2024-07-11

计算网格和模型简化

要想为 CFD 软件生成有限体积网格,模型必须具有正确的拓扑结构。 RWIND 3 中模型的边界由三角形定义。 术语“正确的拓扑”是指,这些三角形必须形成一个封闭的三角形网格,每条网格的边缘有正好两个相邻的三角形,并且除了公共边和旋外,三角形不能相交或互相接触。 实际上,“拓扑正确”的模型的确切定义要复杂得多,这里我们不想一一介绍。
典型的 CAD 模型往往在拓扑上是不正确的。 三维对象的三角形与其他对象的三角形相交,模型边界不是封闭的等。 对用于 CFD 分析的此类模型进行预处理,工作量非常大,需要花费工程师 60-80% 的时间。 因此,简化这项工作是 RWIND 3 最强大的功能之一。 这是通过实施所谓的简化模型来实现的。 简化后的模型由“收缩包围”原始模型的特殊网格表示。 该网格在拓扑上是正确的,因此可以作为模型边界使用,为 CFD 计算生成三维有限体积网格。

模型网格类型

RWIND 3 中提供了 5 种网格,每种在计算过程中都有自己的作用。 以下是它们的概述,从 RFEM 6 原始模型网格到 RWIND 3 计算网格:

原始模型网格

在 RFEM 6 中基于原始有限元网格创建的网格。 有两种类型:

  • M1: 网格基于 RFEM 6 model 或导入的 stl 模型的有限元网格。

  • M2: 细化网格可以更好地显示原始模型的结果。 RWIND 3对原始模型网格进行了细化,以便更好地将结果从面计算网格转换为原始模型。

简化的模型网格

RWIND 3 生成的网格

  • M3: 展开后的网格为 M1 网格新的拓扑构造。 程序通过将复杂结构简化,从而降低了原始模型的详细程度。 收敛包络网格然后被用作 OpenFOAM 中 CFD 计算的输入边界网格。

计算模型网格

由 OpenFOAM 生成的网格。 有两种类型:

  • M4: 由OpenFOAM基于M3网格创建的面计算网格,这是生成M5体积三维网格的基础(边界网格)。 用户可以在【面】中查看面的有限元网格,

  • M5: snappyHexMesh 根据边界面网格 (M4) 生成的三维体积网格。 要了解更多关于网格生成过程的信息 请点击链接 这里。 模型周围的三维流场由 M5 网格填充,流场计算结果显示在该网格上。

模型简化

同时简化的模型可以自动解决大多数必须手动解决的问题。 这些问题包括:

  • 不需要的细节(见图 拓扑缺陷中的点 1): 这些细节与给定的模拟无关,并且可能由于离散化不够精细而导致计算不稳定。
  • 三角形的交点(见第2点)
  • 厚度为零的开边和面(见第3点)
  • 流体(风)流入建筑物内部的洞口(见第 4 点)

下面的 简化模型 图像显示了一些自动校正模型的示例

在简化模型时可以指定详细程度以及最大可以关闭洞口的尺寸。 使用简化模型来确定建筑物上的风荷载是基于以下假设: 如果简化模型非常接近原始模型的形状,那么为简化模型计算的荷载也将接近正确值。

虽然在大多数情况下建议使用导入的模型边界线,但用户可以禁用该选项并使用导入的模型边界线进行计算。 这里仅向在CFD分析方面有经验的高级用户建议使用此选项。

结果外推

计算完成后,我们得到了计算网格的结果,现在我们需要把它们放到原始模型的面上(即“原始网格”)。 RWIND 使用了一种外推法,其计算结果如下:


外推过程可以分为两个主要部分:

1.'确定边界三角形

程序会先在模型面上确定网格的三角形边界, 我们寻找的三角形,其重心离原始网格足够近。 在此过程中会考虑某些标准,例如三角形不能重叠等。

2.'在原始模型网格上外推压力

然后对于原始网格的每个三角形边界,在计算网格上找一个合适的点,并在那里找到压力值。
为了在计算网格上找到一个点,我们首先在三角形 S 的中心作法线 n,然后在法线 n 与计算网格上的三角形的交点上找到一个得到的点,见 如下。 如果通过这种方式找不到结果点,则将在周围区域中尽可能地取最近的点。

如果我们成功在计算网格上找到一个合适的点,我们就会使用该点的压力值,并将其传递到原始网格的整个三角形上,参见 图像。 其结果是原始模型网格的每个三角形中的压力值。 在模型的表面,这些值是非零的(正值=压力,负值=吸力),在模型的其余部分,压力为零。 然后可以计算由于三角形的面产生的压力而作用在三角形中心的力。 力的方向为三角形的法线方向,

重要

需要提醒的是,每一个三角形的值都会分别计算两次,分别是内部和外部的法线方向。这是因为理论上模型可以是零厚度的板,压力在板的前壁面,吸力在后壁面。三维模型(封闭体积块)的内部法线方向的压力为零

计算前检查计算网格

RWIND 对许多模型的网格计算参数(详细程度等) 的默认设置都很好,但 RWIND 的应用范围非常广泛,并非所有模型的默认设置都是理想的.
如果我们认为我们的模型需要更特殊的设置(例如建筑物细节在风流模拟中起重要作用),那么我们建议您在计算之前检查计算网格。 下图 图像 显示了如何同时显示这两个网格。

注意事项:

  • 生成的计算网格是否充分捕捉模型的几何形状,简化是否过高,请参见下面的 图像

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