第二章、FLOW-3D

幾何模型

導入及網格劃分

FLOW-3D?v9.4Definitionof

geometryFAVORizeApplyMeshingIterateuntilgeometryisadequatelyresolved? Contents:

幾何模型導入

Meshing網格劃分

FAVORize檢查劃分質量網格劃分質量流程1、FLOW-3D支持cad格式FLOW-3D

可以導入多種格式及網格格式，默認僅能直接讀取STL格式，其它格式必須以文本編輯器編輯Prepinfile。Stereolithography(STL)dataTetrahedralCADdataANSYSdataIDEASdataTopographicdataCombinationofaboveSTL（stereo-lithography）format大部分的CAD都支持STL格式輸出。STL格式轉出時，實體圖形是以三角面完全包覆，轉出格式則包含三角面的三個頂點坐標，以及三角面法線方向。其均采用笛卡爾坐標系

(Cartesiancoordinatesystem)。STL格式STL文件是以”.stl”為后綴名，STL格式是以近似的外包曲面來代表物體的表面。STL檔中包含一系列的面資料，每一個面資料以一個單位法向量（Normalvector）以及三個頂點（vertices）坐標來表示。因此是以12個數字來代表一個面。STL檔分為Ascii

及Binary兩種格式，Ascii

的STL檔只是為了讓使用者可以看出其格式并且進行編輯，但是其格式較大。由于

FLOW-3D

兩種格式都可以接受，建議生成格式采用Binary格式（Binary格式的STL檔較小）。(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)(x3,y3,z3)NormalVectorI-DEASUniversalFileFLOW-3D

也可導入從其他CAD或CAE產生的tetrahedral網格格式，默認格式為I-DEAS的Universal格式（后綴名為.unv），由于讀入的資料僅需四個頂點的坐標以及其關連性，因此即使是其他格式的網格檔，只要符合這個格式，就可以讀取。如果要輸入此類格式的網格檔，必須以Notepad編輯Prepin檔。FIDEAS(L)=‘filename’.默認名稱為“cadfnn

.

inp”，nn為數字.轉入的圖檔同樣可以在FLOW-3D

內進行平移/旋轉/縮放等設定。其他網格格式FLOW-3D也支持由ANSYS導出

TetraElement網格檔，不過必須將檔案分為兩部分，分別是坐標檔以及網格關連檔。在水利行業設定時，建議使用者直接以STL檔作為模擬分析檔格式。操作：從前處理器加入STL檔加入STL檔

FLOW-3D

沒有限制STL檔的數量，如果需要加入多個STL檔，可以重復加入Geometryfile

(s)幾何設定改變幾何單位及類型單位轉換類型選擇幾何模型建立基本架構GeometryComponent1Component2ComponentnSubcomponent1Subcomponent2Subcomponentn同一個Component內僅可以設定一種材料與運動性質Component類型分為:StandardPorousDomainremovingLostFoamPackedSedimentCoreGasSubcomponents可以定義為:SolidHoleComplement…Components分類為:Standard:固體Porous:濾網，篩子，土壤LostFoam:消失模中的泡沫Domainremoving:網格區域移除，不被列入計算網格以節省內存容量及提高求解運算時間CoreGas:型芯氣體Component的分類Subcomponent可以被定義:Solid：固體Hole:從現有的固體中去除材料Complement:物體以外整個計算區域定義為固體，幾何則為空腔只有CAD幾何圖形可以被定義為Complement，內建的幾何不能設定該類型Subcomponent的分類如何決定sub-component要加入到現有的或新的component?

相同的材料與運動性質設成同一個component!大壩仿真的幾何組件Orange–topography,roughsurfaceBlue–damstructure,smoothsurfaceDarkBlue–northgate,movingGreen–southgate,movingYellow–tailrace,semi-roughsurfaceComponentType物體類型SolidHoleComplementHoles&ComplementsSolidHoleComponent1Subcomponent1:SolidSubcomponent2:HoleComplementSubcomponentsofSimulationSubcomponent5Subcomponent6Subcomponent7不同的Sub-components圖形導入順序，會產生不同的幾何效果注意圖形導入順序SolidHoleSolidHole如果兩個subcomponents/components有重迭部分，重迭區域的性質以先加載的圖形為主注意圖形導入順序SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2SolidSubcomponent/Component1SolidSubcomponent/Component2內建幾何模型操作軟件提供五種常見幾何類型(球/圓柱/錐/長方體/環);用戶可以通過界面快捷方式或通過菜單ConeFLOW-3D內建幾何工具BoxCylinderSpherePrimitivesToolbar–ModelSetup,MeshingandGeometryzhighzlowxlowxhighylowyhighWedgeAngleLimitedCylinderToruszZlowZhigh建立基本幾何圖形在幾何設定樹狀表上外加一些限制案例：半圓柱基本幾何圖形+限制組合DefaultcylinderAddlimiter可以將幾何圖形縮放、旋轉與平移圖形轉換操作如下：建立幾何圖形放大或縮小尺寸改變方向

移動位置Subcomponents的基本操作觀察幾何鼠標左鍵：旋轉鼠標中鍵：放大/縮小鼠標右鍵：平移局部放大屏幕適合尺寸視圖修改后更新Unit單位FLOW-3D采用單位為SI（m,Kg,…）CGS（cm,g,…）ENGINEERING（英制）由于大部分鑄件繪圖單位為mm，因此在FLOW-3D導入幾何時建議將單位轉換至CGS制。1mm=0.1cm，因此單位轉換時Globalmagnitude必須填入0.1。STL圖形的檢查與修正是模擬分析中很重要的環節一般STL圖形主要的問題三角面遺失三角面法方向錯誤三角面面積為零FLOW-3D本身可以處理一些比較輕微的圖形問題較小的破面會被填滿一些微小的異常特征會被平滑處理STL圖形問題MiniMagics

是FLOW-3D所提供的免費軟件有助于檢查STL圖形好壞由FLOW-3D開始菜單界面選擇安裝MiniMagics可以由Materialise開始界面打開MinimagicsSTL圖檔修正檢查打開MiniMagics打開圖形C:\class\demo_files\stlf01_bad.stl如果出現錯誤訊息，進行修復工作（僅能簡單修補）利用MiniMagics檢查STL圖形品質DimensionsVolume,Area,TrianglesErrorsMissingTriangleSectionViewsSTL圖形可以利用

FLOW-3DV9.4的“pyADMesh”功能修補pyADMesh圖形修正功能pyADMesh有許多功能圖形單位轉換旋轉鏡像STL圖檔修補變換三解網格法線向量移除面積為零三角網格增補短缺的三角網格三角面缺失嚴重的圖問題無法利用pyADMesh

修補利用pyADMesh

進行STL圖形修補與轉換內定的選項ClosegapsAddtrianglestofillholesFixunitnormaldirectionsFixunitnormalvalues檔案輸出格式Binary(small,can’tedit)ASCII(large,editable)結果操作pyADMesh顯示打開fileC:\class\demo_files\Spillway_Missing_tri.STL導入數據檢查Erroranalysisandrepairwith“MiniMagics

”Errorsdetectedby

“MiniMagics”Meshingfreeoferrors

afterrepairofindividual

STLgeometriesBaffle:沒有厚度的孔隙平板用來控制或引導水流Baffles也可以用來量測通過某段面的水流流量與計算通過的顆粒數量Baffles可以是平板、圓柱、圓柱或圓錐Baffles

利用使用界面建立Baffles在“Baffles”上按右鍵新增Definition給定位置利用“limiters”功能給定形狀若是孔隙介質，在此設定相關材料系數設定熱傳相關性質系數Baffles定義成量測流量，完全不影響水流運動降低內存使用

UMA-UnstructuredMemoryAllocationNumberofcellsgenerated:~230K

ActivecellsNumberofcellsallocatedtomemory:~57KBlockedcellsOnlymeshcellsneededforheatandfluidflowsimulationareallocatedmemory減少內存使用

DomainRemovingComponentsComponents可以由多個subcomponents組成Subcomponents可以是solids,holes或complements每個component僅有一種材料與運動性質Subcomponents的建立方式有：內建簡單幾何,STLfiles,CADdata,Topographicdata,IDEASdataorANSYSdata小結2、網格建立網格基本設定UniformMeshesNon-UniformMeshes網格建立重點Multi-BlockMeshes操作：建立網格網格基本設定UniformMeshesNon-UniformMeshes建議：采用UniformMeshes。如果局部幾何為薄壁時，為了減少網格數量常采用Non-UniformMeshes。Meshing–連接式網格塊XZBlock#3不同網格塊必須要非常準確的結合在一起，不能有重疊或是出現間隙。前處理器會自動將網格區塊連接邊界設定為內部邊界，使用者不需要針對此部分做額外的處理。Meshing–嵌套式網格塊XZFixedPoint#1FixedPoint#2FixedPoint#3FixedPoint#4FixedPoint#1FixedPoint#2FixedPoint#3FixedPoint#4Multi-多個網格塊操作多個網格設定的基本原則利用固定點減少相連網格區塊間的計算錯差建議相鄰網格塊大小的比例不要超過2

“PreprocessSimulation”預處理時，會顯示多個網格所造成的網格誤差(Multi-blockAreaMismatchError)，建議誤差控制在0.1%以下。

openareamismatchatinter-blockboundariesofallblocksas%oftotalopenareaatthesemeshboundaries=7.31706E-02LargeinterpolationerrorspossibleBetter至少需要一個格點才可以描述幾何存在幾何角點“Corners”如果位于格點中間，角點將無法顯示。面積主要根據網格線性分布。網格密度對幾何解析度的影響網格建立重點盡量采用UniformMeshes格式。網格的AspectRatios盡量趨近于

1（正立方體）。AspectRatio建議不要超過3.0；如果是采用Non-UniformMesh格式時，相鄰的網格尺寸比例建議不要超過1.25。在流場越紊亂（壓力梯度變化較大）的區域，盡量采用UniformMeshes。Multi-BlockMeshesFLOW-3D

的Multi-BlockMeshes的設定方式適用各種應用領域，能夠對局部或整體的網格尺寸調整，大幅減少計算所需的內存。網格區塊（MeshBlock）不允許局部重疊，僅能完全相接或者是完全重疊Multi-BlockMeshes設定重點網格區塊數量越少越好；每增加一個網格區塊，至少會增加一個需要迭代的邊界。不必要的網格區塊會增加迭代可能造成的數值誤差以及增加計算時間。網格區塊之間的AspectRatio（網格尺寸）盡量采用1.0~2.0之間。避免在流場紊亂（壓力梯度較大）的位置建立網格區塊，網格區塊連接的位置盡量在流場平緩的區域。在網格區塊的連接位置，以FixedPoint確認網格區塊的連接，這樣可以減少網格區塊連接位置的體積誤差量。操作：建立網格顯示網格隱藏網格改為柱坐標增加網格區塊網格區塊信息網格區塊的調整新增網格區塊刪除網格區塊自動切割網格調整網格區塊網格信息網格區塊尺寸調整移動網格區塊復制網格區塊分割網格區塊自動調整網格區塊至幾何圖檔大小隱藏網格顯示網格僅顯示單一網格區塊顯示所有網格區塊常用指令Meshadjustment以鼠標調整網格大小調整步長大小AutoMesh&MeshInfo可指定網格總數量，或者是指定網格尺寸大小程序會根據指定的條件，在X,Y,Z三方向進行網格切割網格數量網格劃分注意事項網格切割的層數僅需描述幾何外形，不需要生成三層以上的網格（單層即可）。建議采用均一尺寸的網格。以FAVOR工具查看網格是否能完整描述原始幾何。多網格區塊設定可以在網格數量限制下更完整的描述圖檔。但是網格區塊不宜過多。充填模擬建議不需要超過三個（凝固模擬采用一個網格區塊）。一般而言，網格區塊最多不宜超過五個。如果采用多個網格區塊，不要在流動復雜的位置做切割（盡可能在流動平緩的位置進行切割）。不同網格區塊的網格尺寸大小可以不同，但是盡量不要超過兩倍。如果要用多網格區塊進行網格建立，必須強制邊界對齊。1、采用多個網格區塊，不要在流動復雜的位置做切割（盡可能在流動平緩的位置進行切割）

2、增加適合的節點以減少多區塊網格體積的損失。(“openarea

mismatchatinter-block

boundaries”)多網格塊建立的方法(一)直接以坐標輸入的方式進行網格建立先取得相對應的坐標值單擊右鍵12對網格尺寸做調整多網格塊建立的方法(二)先建立單一網格塊，再以分割網格/調整網格的方式建立沿著某個方向一分為二，或更多Multi-Block

設定重點由于每個

MeshBlock的大小都不一樣，即使是以『Sizeofallcells』的設定，MeshBlock相接處網格邊界無法相互連接。如果流體流經此處時，計算會相當復雜，可能會有計算收斂的問題。Block2Block1以增加點方式控制網格尺寸X=-0.4在每個『

MeshBlock』相接處以『AddPoint』設定，可以讓邊界的計算收斂問題減少。Xmin（Block2

）=X（Block1）右鍵單擊網格界面：更新顯示ChangesinMesharenotreflectedindisplayuntilupdated!TheMesh/Update(CTRL+U)option

updatestheview.example

ofbadmeshingbetterbad 33meshblocks

1,800,441cells

943,883activecells

113,987“boundarycells” 7meshblocks

3,521,741cells

660,3