Стратегия построения структурной сетки на расчетных моделях сложной формы. Декомпозиция элементов

При построении расчетных моделей сложной формы часто возникает ситуация когда на них не удается наложить структур­ную конечноэлементную сетку. Зачастую это происходит из-за того, что форма модели не позволяет привести к виду, который можно разбить по одной из рассмотренных выше схем. В этом случае проблема построения структурной сетки может быть ре­шена за счет декомпозиции расчетной области. Под декомпози­цией понимают разделение исходной модели на блоки, которые могут быть разбиты структурно. При эом предпочтительнее вы­делять блоки, в основе которых лежат топологические четырех­угольники. Они могут быть разбиты по схемам Map или Submap. В результате, конечноэлементная секта расчетной области полу­чается состоящей из нескольких блоков со структурным разбие­нием.

Разделение расчетной области на структурные блоки произ­водится с помощью команды Split , , операций вычита­ния , и пересечения объектов. В ряде случаев воз­можно получения структурного блока из нескольких неструктур­ных с помощью команды Merge или операции сложения .

Рассмотрим несколько примеров структурного разбиения сложных объектов с помощью декомпозиции.

Пример 1. Необходимо наложить структурную сетку на рас­четную область в виде куба, внутри которого имеется шаровид­ная полость (рис. 5.54, а).

Рис. 5.54. К примеру 1

Рассматриваемая модель может быть разбита по схеме Cooper. Для этого необходимо спроецировать сетку с одной поверхности с отверстием на противоположную. Однако разбить построить качественную сетку на поверхности с отверстием не удастся. По­этому исходный объем можно разделить на две части диагональ­ной плоскостью (рис. 5.54, б,в). Верхние грани полученных призматических объемов могут быть разбиты сеткой более высо­кого качества. Они используются в качестве проецирующих по­верхностей при разбиении призм по схеме Cooper. Результат раз­биения показан на рис. 5.55.

Если исходную фигуру поделить не одной, а двумя диаго­нальными поверхностями, то проецирующие поверхности могут быть разбиты структурно по схеме Map и сетка на рассматривае­мой расчетной области получится более упорядоченной (рис. 5.56).

Рис. 5.55. Возможное решение примера 1

Рис. 5.56. Другое возможное решение примера 1

Пример 2. Требуется наложить сетку по схеме Cooper на рас­четную модель изображенную на рис. 5.57. Она состоит из двух объемов: прямо­угольного параллелепипеда и полу­кольца. По­верхность параллелепи­педа, к которой примыкает полу­кольцо, состоит из двух частей: пря­моугольника с двумя отверстиями 3 (эта часть принадлежит только па­раллелепипеду) и двум кругам 1 и 2 (эта часть принадлежит обеим частям модели). Построение сетки целесо­образно начать с разбиения полу­кольца. Оно разбивается по схеме Cooper, аналогично тому, как это было рассмотрено выше. Затем раз­бивается поверхность 3. Структурное разбиение парал­лелепипеда осущест­вляется по схеме Cooper. В качестве проеци­рующих поверхностей исполь­зуются грани 1,2,3 и противолежа­щую им поверхность. Результат разбиения показан на рис. 5.58.

Рис. 5.58. Возможное решение примера 2

Пример 3. Необходимо наложить конечно-элементную сетку по схеме Cooper на модель изображенную на рис. 5.59, а. Она со­стоит из двух цилиндров разного диаметра. Оси цилиндров пе­ресекаются под прямым углом и лежат в плоскости симметрии большего цилиндра.

Рис. 5.59. К примеру 3

Наложить структурную сетку по схеме Cooper на эту модель без проведения декомпозиции не удастся, т.к. для разбиения по данной схеме необходимо, чтобы боковые грани объема могли разбиваться Map сеткой.

Поэтому исходную фигуру нужно разделить на блоки, кото­рые могут быть разбиты структурно. На рис. 5.59, б показан один из возможных вариантов декомпозиции. Расчетная область де­лится двумя поверхностями, параллельными осям цилиндров и отстоящих от плоскости симметрии фигуры на расстояние не­много превышающее радиус малого цилиндра. В результате мо­дель делится на 3 части: два объема, в основе которых лежат по­верхности 1 и 2 и фигуры представляет собой шестигранник с цилиндром, выходящим из одной из боковых поверхностей. Все они могут быть разбиты по схеме Cooper,, причем направления проецирования соседних объемов отличаются на 90°. Разбиение следует начинать с центрального объема. В качестве проецирую­щих поверхностей используется грани 3 и 4, сетка с которых проецируется на поверхность 5. Две оставшихся объекта также разбиваются по схеме Cooper используя в качестве проецирую­щих поверхностей 1, 2 и противолежащие им грани. Результат разбиения показан на рис. 5.60.

Рис. 5.60. Возможное решение примера 3

Пример 4. Построение структурной конечно-элементной сетки на шаре.

Построить структурную сетку на шаре без проведения деком­позиции нельзя. Существует не­сколько способов его декомпо­зиции, для нанесения структур­ной сетки. В качестве примера ниже приведены 2 варианта (рис. 5.61, 5.62).

Вариант 1. С помощью трех взаимно перпендикулярных по­верхностей шар делится на 8 частей. Затем каждый из секто­ров разбивается сеткой по схеме Tet-primitive (рис. 5.61).

Вариант 2. Строится цилиндр, ось вращения которого прохо­дит через центр шара. С помощью его боковой поверхности шар делится на две части: общего объема шара и цилиндра и объема, получающегося в результате вычитания из шара цилиндра. Вто­рой объем делится пополам плоскостью проходящей через ось цилиндра. Полученные три объема могут быть разбиты по схеме Cooper, как это показано на рис. 5.62.

Рис. 5.62. Второй вариант нанесения структурной сетки на шар

6. Описание граничных условий в программе Gambit

Как отмечалось в главе 2, в программе Gambit осуществляется предварительное указа­ние линий и поверхностей расчетной об­ласти, к которым в дальнейшем будут приложены граничные ус­ловия. Численные значения граничных условий задаются в про­грамме Fluent. Поверхности и линии, ограничивающие расчет­ную область которые не будут указаны как граничные, по умол­чанию считаются стенками, и к ним применяется соответствую­щее гра­ничное условие. Ука­занный в программе Gambit тип гра­ничного условия в случае ошибок или изменения стратегии ре­шения можно поменять в программе Fluent.

Задание граничных условий осуществляется в меню Zones (рис. 6.1). Как видно оно состоит всего из двух команд:

- Specify Boundary Types - уста­новка типа гранич­ного условия на границах;

- Specify Continuum Types - описание областей тече­ния.

Меню задания граничных условий показано на рис. 6.2.

Граничное условие может быть установлено на линии или поверхности. Геометрические объекты, на которых предполага­ется его установить, выбирается в поле Entity (1 на рис. 6.2). Может быть выбрано любое количество элементов, при этом все они появятся в списке в нижней части поля Entity. Если оши­бочно был выбран неверный элемент, его можно удалить, нажав кнопку Remove.

В поле Action (2 на рис. 6.2) выбирается действие с гранич­ным условием. Всего возможно четыре действия:

- Add – добавление гранич­ного условия;

- Modify – редактирование существующего гранич­ного ус­ловия;

- Delete – удаление гранич­ного условия;

- Delete all - удаление всех граничных условий.

Тип граничного условия вы­бирается в списке Type (4 на рис. 6.2). Содержание списка за­висит от расчетной программы, ко­торая была вы­брана в меню Solver. Для программ­ного комплекса Fluent 5/6 в списке содержится порядка 20 гра­ничных условий. Часть из них но­сит узкоспециали­зиро­ванный ха­рактер и применя­ется редко. В инженерных задачах наиболее употребимы следующие гранич­ные условия:

- Pressure inlet – полное давле­ние и температура на входе в рас­четную об­ласть;

- Velocity inlet – вектор ско­рости и температура на входе в расчет­ную об­ласть;

- Mass flow inlet – мысовый рас­ход и полная темпе­ратура потока на входе в расчетную область;

- Pressure outlet – статиче­ское давление на выходе;

- Outflow – граничное усло­вие, показывающее какая доля расхода выхо­дит через данную гра­ницу.

- Wall – стенка;

- Periodic – периодическое гра­ничное условие;

- Symmetry – граничное условие симметрии;

- Axis – ось для осесимметричных задач;

- Pressure far field – постоянное давление и направление по­тока на удалении от объекта (приме­няется для реше­ния задач внешнего обтекания).

В графе Name (4 на рис. 6.2) можно за­дать наименование гра­ничного условия латин­скими буквами. Если поле оставить пус­тым, то имя будет назначено ав­томатически и будет отобра­жать тип граничного условия.

В меню Specify Boundary Types находятся две опции:

- Show la­bels (5 на рис. 6.2) – показывает названия соз­дан­ных граничных условий в окне построения;

- Show colors (6 на рис. 6.2) – выделяет созданные гра­нич­ные условия цветом.

Выбранные настройки границ повреждаются нажа­тием кнопки «Ap­ply».

В результате выполнения команды в списке в верхней части меню появится название созданного граничного ус­ловия, а в об­ласти построения оно будет выделено цветом и вы­светится его имя (если активны опции Show la­bels и Show colors).

Примечание: Для задания пе­риодического граничного усло­вия обя­зательно необходимо, чтобы периодические границы имели свя­занную конечно-элементную сетку.

Команда описания областей течения Specify Continuum Types используется для выделения областей, свойства которых сильно отличаются от свойств другой части расчетной области, напри­мер при решении задач сопряженного теплообмена или наличия в модели подвижных элементов.

При рассмотрении сопряженного теплообмена расчетная об­ласть содержит область потока и обтекаемое тело. В этом случае одна область течения - это поток (жидкость или газ), другая – твердое тело. При рассмотрении задач с подвижными элемен­тами область потока выделяет часть расчетной зоны вокруг объ­екта движущегося с определенной скоростью.

Меню описания областей течения Specify Continuum Types по внешнему виду практически не отличается от меню задания гра­ничных условий показано на рис. 6.2. Отличие заключается в том, что областью течения может быть поверхность или объем, а в поле Type доступны только два типа областей: Solid (твердое тело) и Fluid (жидкость или газ).

В случае, когда течение в расчетной области не содержит об­ластей с сильно отличающимися свойствами, настройки в меню Specify Continuum Types можно не проводить. В этом случае вся расчетная область будет рассматриваться как жидкость или газ (Fluid).

7. Импорт и экспорт геометрии и расчетных сеток из CAD/CAE программ

7.1. Импорт геометрии и расчетных моделей в программу Gambit

Построение геометрии расчетной области и наложение на нее ко­нечноэлементной сетки можно проводить двумя путями: стро­ить их непосредственно в программе Gambit или импортиро­вать из других CAD/CAE программ. Необходимость импортиро­вания геометрии может быть продиктована невозможностью или труд­ностью построения сложных моделей в программе Gambit, воз­можности которого ограничены по сравнению с CAD про­грам­мами. Кроме того, достаточно часто возникает необходимость рассчитать обтекание объекта, 3d модель которого была создана ранее в CAD пакете. В этом случае целесообразнее импортиро­вать объект, чем строить его заново. С другой стороны создание модели от начала и до конца в Gambit позволяет изба­вится от многих проблем, связанных с недочетами и допусками в импор­тированных моделях.

В конечном итоге решение, где строить расчетную модель, в Gambit или в других программах принимает расчетчик в зависи­мости от своих возможностей, предпочтений, требуемого вре­мени, наличия задела работ по модели и других факторов.

В Gambit могут быть импортированы следующие форматы файлов геометрических моделей:

1. ACIS (расширение *.sat) – бесплатный универсальный формат, версии R8...R15. Предпочтителен для обмена моделями между разными CAD-системами.

2. IGES (*.igs; *.iges) – один из первых универсальных век­торных форматов. Он широко распространен и под­держивается всеми CAD программами, однако геомет­рия импортированная в этом формате имеет много не­совпадений и элементов с совпадающими координа­тами. После импортирования таких моделей приходится проводить сшивание поверхностей и перестройку от­дельных элементов. Тем не менее, этот формат активно применяется, т.к. он является единственным, который может импортировать двухмерную геометрию.

3. STL (*.stl) – формат, используемый для передачи инфор­мации для станков с ЧПУ и стереолитографии.

4. STEP (*.stp) – векторный формат для передачи 3d -моде­лей.

5. Parasolid (модели в текстовой *.x_t и бинарной записи *.x_b + параметрический файл *.sub) – формат пере­дачи 3d моделей. Этот формат импортируется в Gambit с минимальными потерями, по этому его следует ис­пользовать в случае, когда формат ACIS недоступен.

6. CATIA 4, 5 (*.model; *.CATpart) – форматы геометрии ис­пользуемые в программах CATIA.

Кроме перечисленных выше форматов передачи геометрии в программу Gambit можно импортировать параметрические (се­точные) модели из некоторых САЕ - программ:

1. Fluent 5, 6 (*.msh);

2. Ansys (архивная модель с расширением *.cdb + *.iges).

Чтение импортируемой геометрии и сеток осуществляется в меню File ® Import. В качестве иллюстрации на рис. 7.1 пока­зано меню импортирования геометрии в формате ACIS. Работа с ним сложностей не представляет.

В этом меню в поле File Name выбирается файл с загружае­мой гео­метрией. В поле Import Options выбирается тип ACIS файла, в котором записана модель: тексто­вый или бинарный.

Рис. 7.1. Меню импортирования геометрии в формате ACIS

Аналогичным образом осуществляется работа с IGES моделями. Меню импортирования моделей в этом формате показано на рис. 7.2. Хотя в этом меню гораздо больше на­строек, работа с ним ана­логична работе меню им­порта моделей в формате ACIS. В большинстве случаев использования дополнительных настроек не требуется. Единствен­ное, необходимо активи­ровать опцию Native/Spatial в средней части меню. Это приведет к тому, что дуги и сплайны, содержащиеся в импортируемой геомет­рии бу­дут загружены. В противном случае они будут про­игнорированы.

Поскольку разные форматы используют различные уравнения и способы описания геометрии, то импортированная геометрия достаточно часто содержит совпадающие элементы, или другие дефекты. Особенно много их встречается при импорте IGES мо­делей. Поэтому после загрузки файлов обмена рекомендуется с помощью команды Connect (см. п. 4.5) последовательно объе­ди­нить совпадающие точки, линии и поверхности. Это заметно уп­ростит дальнейшие действия с расчетной областью.

Объединить совпадающие элементы можно задаваясь вели­чиной точностью модели (Tolerance), которая измеряется в долях единицы длинны. Эта величина показывает, что объекты, нахо­дящиеся друг относительно друга ближе, чем задано будут счи­таться совпадающими. Это позволяет удалить лишние объекты и нестыковки уже на этапе загрузки.