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如何在 CFD 設計中利用網(wǎng)格維護幾何形狀并減少運行時間?

發(fā)布時間:2023-05-17 責任編輯:lina

【導讀】盡管計算機的處理能力不斷提升,但依然有必要提高數(shù)值仿真的效率。在 CFD 仿真中,求解的質(zhì)量在很大程度上取決于網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格間距如果不能求解流體變量的局部變化,就會引入離散化誤差。另一方面,如果網(wǎng)格過于精細,就會增加不必要的計算時間和工作量。網(wǎng)格元素類型和數(shù)據(jù)結構也會影響生成網(wǎng)格所需的人力時間和技能,以及單位精度的成本。


盡管計算機的處理能力不斷提升,但依然有必要提高數(shù)值仿真的效率。在 CFD 仿真中,求解的質(zhì)量在很大程度上取決于網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格間距如果不能求解流體變量的局部變化,就會引入離散化誤差。另一方面,如果網(wǎng)格過于精細,就會增加不必要的計算時間和工作量。網(wǎng)格元素類型和數(shù)據(jù)結構也會影響生成網(wǎng)格所需的人力時間和技能,以及單位精度的成本。


如何在 CFD 設計中利用網(wǎng)格維護幾何形狀并減少運行時間?

圖 1. 基于局部誤差和基于輸出的自適應技術對比。


如圖 1 所示,網(wǎng)格自適應(可以基于局部誤差,也可以基于輸出)是一種常用的技術,有助于提高仿真效率。非結構化的網(wǎng)格自適應技術用于縮小網(wǎng)格大小,以達到所需的求解精度。這種技術能夠大大縮短處理時間,減少內(nèi)存需求和所需的存儲空間。然而,由于無法獲得基礎的 CAD 數(shù)據(jù),自適應工具只限于提高體外網(wǎng)格的分辨率。


而 Fidelity CFD 中的網(wǎng)格自適應技術能夠維護幾何形狀,提高網(wǎng)格質(zhì)量,適應近壁剪切層,并減少運行時間,改善了 CFD 解決方案。


  1. 網(wǎng)格自適應技術的設計挑戰(zhàn)


使用網(wǎng)格自適應技術來提高網(wǎng)格質(zhì)量會面臨一些常見的挑戰(zhàn):


自適應無法求解正確的幾何形狀


大多數(shù)自適應程序都是內(nèi)置在 CFD 求解器中的。因此,它們只是自動適應實際幾何體(即現(xiàn)有幾何體)的一個近似面。在適應之后,就為錯誤的幾何體生成了理想網(wǎng)格。


自適應會降低局部細化網(wǎng)格的質(zhì)量


許多自適應程序使用逐個擊破的方法來充實網(wǎng)格,即把現(xiàn)有的網(wǎng)格元素局部劃分為額外的元素。這種方法雖然編程起來比較方便,但會導致網(wǎng)格質(zhì)量隨著細化而不斷下降,降低穩(wěn)健性,增加運行時間,甚至可能增加離散性。


在流體變量梯度很大的近壁剪切層中


進行自適應面臨重重挑戰(zhàn)


簡單粗暴地在近壁處使用各向同性的細化,會導致網(wǎng)格尺寸激增。一種常見的策略是采用拉伸四面體來解析墻面上的大梯度變量,而不對墻面進行過度細化。然而,這種方法會導致網(wǎng)格質(zhì)量大幅度下降。


自適應程序常常導致運行時間過長


這是因為網(wǎng)格在某些方向或位置被過度細化,或者在自適應過程中網(wǎng)格質(zhì)量下降,導致 CFD 求解器運行效果不佳,甚至難以決定何時停止細化程序。


2. Fidelity CFD 網(wǎng)格劃分工具的優(yōu)勢


Fidelity Pointwise 是一個網(wǎng)格生成解決方案,在網(wǎng)格構建技術和網(wǎng)格風格方面提供了充分的靈活性。這種靈活性根植于 Fidelity CFD 網(wǎng)格劃分工具的網(wǎng)格劃分理念,使其能夠涵蓋廣泛的工作流程。


Pointwise 網(wǎng)格自適應技術以協(xié)調(diào)的自動化方式將網(wǎng)格劃分和求解步驟分離開來,能夠根據(jù)變化中的流體解或基于應用目標對網(wǎng)格進行細化(如圖 2 所示)。


如何在 CFD 設計中利用網(wǎng)格維護幾何形狀并減少運行時間?

圖 2. 針對兩個不同目標對菱形機翼進行網(wǎng)格自適應,即適應阻力(左)和適應沖擊傳播(右)。


這款自動網(wǎng)格細化工具只用于網(wǎng)格存在缺陷的區(qū)域。首先創(chuàng)建一個基線流體解,通過使用該流體解,估計與網(wǎng)格尺寸缺陷相對應的誤差。這個步驟要重復多次,以便更好地控制網(wǎng)格離散化誤差。對于高質(zhì)量的 CFD 網(wǎng)格劃分,這種方法也可以用于體外的體素網(wǎng)格劃分,以便體外特征實現(xiàn)均一、出色的分辨率,特別是捕捉尾流區(qū)域時。


在圖 3 中,使用網(wǎng)格自適應工具對轎車的尾流剪切層網(wǎng)格進行了精細處理。


如何在 CFD 設計中利用網(wǎng)格維護幾何形狀并減少運行時間?

圖 3:網(wǎng)格細化,以定義體外特征。


3. 總結


Fidelity Pointwise 網(wǎng)格自適應工具:

  • 適應基礎幾何形狀

  • 有效求解邊界層區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格

  • 有效控制適應速率,逐步提高網(wǎng)格質(zhì)量

  • 減少運行時間

(本文轉載自: Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號


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