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1 Fluent Overset Mesh应用介绍 张理想 2 内容 重叠网格 目的 & 挑战 重叠网格术语 域连通性 性能 支持的特征及限制 应用案例 3 重叠网格 4 重叠网格概述 由部件网格构建计算域的新方法 单域或共节点 连接多区域网格 匹配面之间的网格连接是通过non-conformal来实现的. 网格之间的连通性是建立在面level上的。 通过overset interface连接重叠网格单元区域 单独划分单独划分PartsParts网格，并将其嵌入到背景网格中网格，并将其嵌入到背景网格中 重叠区域的连通是通过网格单元数据插值来实现的，网格之间需要有足够的重叠区域的连通是通过网格单元数据插值来实现的，网格之间需要有足够的 重叠。重叠。 Input grids Intended CFD domain Background grid Component grids (3) 旧的现 有方式 5 重叠网格开发目的/动机 ANSYS Fluent功能扩展 克服了动网格的一些限制 可以处理具有小缝隙部件的相对网格运动 易用 简化了复杂几何的网格生成 避免了动网格应用中网格重构失败和动网格设置的 一些问题 更容易的构型变化和组件交换 求解质量 重叠网格在网格运动期间始终可以保持很高的网格 质量 局部结构网格在非结构网格中的使用 structured unstructured 6 重叠网格的挑战 网格之间的插值不保守 重叠区域间的通信通常是可以接受的 并行和负载平衡 用最小的用户输入就可以处理复杂的几何和拓扑 使用重叠边界条件时，可以只用一些简单的网格就可以很快的得 到复杂的拓扑 模型精度/容差的相关性 “orphan”网格之间不能建立耦合 识别并去除孤点 网格生成需要有新的思维和工具 尤其是collar grids的生成 Rogers, 12th Overset Symposium 7 ANSYS Fluent重叠网格应用 Fluent 17.0重叠网格有一些限制 User interface 与non-conformal interfaces类似, 用最小的用户 输入就可以处理所有支持的拓扑 不需要连接信息 自动检测重叠区域 用户在overset interface中设置background 和component网格 默认情况下自动创建overset interface 可选输入 装配工程中全局网格相对特定区域网格的优先级 局部网格单元相对基于尺寸或边界距离网格单元的优先级 8 重叠网格术语 重叠交界面 组件网格和背景网格是成对出现的 至少需要一个背景网格和一个组件网格 背景网格 网格单元区域内没有重叠类型边界，背景网格 必须是共节点的网格 组件网格 网格单元区域至少有一个重叠类型边界，组件网格 一定是共节点网格 重叠边界 新的特定的重叠边界条件类型 将组件与其他网格通信的区域指定为重叠边界 Background grid Component grid Overset BC Wall BCs Overset interface 9 域的连通性 1. 挖洞 查找位于计算域外的网格单元，并将其标注为dead cells 2. 重叠区域最小化 不同网格之间的重叠区域最小化，将更多的网格单元转变成dead cells。 与dead cells 相邻，且与背景网格相重叠的网格单元称为receptor cells。 其他的网格单位为solve cells。Solve cells, receptor cells 和dead cells是相 互独立的。 3. Donor 查找 对receptor cells来说，它会从流场信息中尝试查找重叠solve cells （donor），查找的donor cells是用来为插值提供数据信息的。Donor cells是solve cells的子集。Donor cells查找失败的receptor cells被标记为 orphan cells。 10 域的连通性 重叠单元类型 Solve cells 1 Receptor cells 0 Donor cells 2 Orphan cells -1 Dead cell -2 solve donor dead receptor Background grid Component grid 11 域的连通性 为了避免出现orphan cells，就需要有足 够多的网格重叠 边界临近问题 为了避免孤立网格单元，重叠区域最少要有4 个网格单元 wall wall To display Receptor Cells: define/overset- interfaces/options/render- receptor-cells? Yes 12 重叠最小化 减少重叠是为了： 减少求解单元数量 重叠交界面远离边界 After hole cutting (no overlap minimization) Solve and receptor cells displayed 14 重叠最小化 基于donor优先的网格体积单元 网格过渡位置的网格分辨率是一致的 简化网格设计 如果非结构网格尺寸分布不均匀或者 网格尺寸增长变化不是单调变化的， 那么创建的重叠网格交界面形状是不 规则的 15 重叠最小化 基于donor 优先的边界距离 网格过渡尽可能的远离边界；最好在两 边界中间 因为网格的过渡不考虑网格的分辨率， 所以需要更加仔细的进行网格设计 16 重叠最小化 网格优先顺序 按照设定的优先级顺序生成重叠网格 对背景网格和组件网格是有利的 包含局部供体单元的网格优先级高 网格过渡不考虑网格的分辨率 0 0 1 1 0 0 1 0 17 重叠拓扑 组件网格可任意重叠 重叠网格边界是允许的 允许边界重叠，但不允许边界交叉 挖洞过程中自动进行匹配检测/相同边界条件类型的 重叠几何 (wall, symmetry, ) 交叉壁面边界需要额外 衣领 网格 衣领网格连接交叉几何 生成边界重叠网格，并去除交叉 生成了孤点（没用衣领网格） Wall intersections not permissible Wall overlap Keep y+ similar 18 重叠拓扑 用衣领网格处理交叉壁面边界 消除交叉，并用重叠壁面取代 Collar grids 19 重叠拓扑 没用衣领网格处理的交叉壁面边界 孤立网格单元 20 并行重叠网格 2.7M cells 1.8M cells Intersection time s vs. Number of processors 21 瞬态重叠性能, R18.0 parallel, -t36, Metis n0 s n0 s n1 s intersection 116.9 59.4 32.5 filling extended zones 46.8 33.7 8.1 Rotor model, 8.8M cells Hub, 4 blades, 4 collar grids parallel, -t6, Metis n0s n0s n1 s intersection 34.6 26.2 17.0 filling extended zones 16.1 13.5 3.9 Moving ball 3.3M cells Initial Intersection R18.0 First time step R18.0 Initial Intersection, R17.0 22 重叠网格 当使用动网格时，开始用一个时间步长来移动最小网格单元（在重叠交界面处）， 每个时间步长移动一个网格单元长度 如果时间步长太大，如果时间步长太大，dead cells会直接转变成会直接转变成solve cells，而不是，而不是receptor，这个信息会在，这个信息会在TUI里里 面显示出来（面显示出来（at verbosity 0）：）： 为了增加计算的精度，建议为了增加计算的精度，建议dead-solve cells出现的数量最少出现的数量最少 网格运动期间追踪orphan cells的创建是非常重要的 瞬态动网格仿真计算不会因为瞬态动网格仿真计算不会因为orphan的出现而停止的出现而停止 精确定位精确定位Orphans treatment来减少求解可能出现的问题来减少求解可能出现的问题 检查合理的求解结果检查合理的求解结果 23 支持的特征 & 限制 2017-02-03 24 重叠网格 限制 R18.0 重叠交界面不能包含固体网格单元区域 组件网格不能连接到non-conformal交界面上 如果背景网格是重叠交界面的一部分，那么背景网格交界面处 不能有non-conformal交界面 组件区域不能有周期性边界条件 背景区域不能有重叠边界 组件网格边界不能与耦合壁面重叠 重叠网格与动网格中的网格重构或层铺不兼容 重叠网格不能使用FMG初始化 25 重叠网格支持的选项&模型 R18.0 压力基耦合求解器 (Planar 2D & 3D) 密度基求解器 (Planar 2D & 3D) Laminar, standard k-epsilon & standard k-omega Compressible flows, heat transfer Volume of Fluid (VOF) Dynamic and sliding meshes with the first-order transient formulation 与Fluent支持的所有网格单元和类型都兼容 包括：polyhedra, hexcore and cutcell meshes 与网格自适应兼容 26 AFT Examples 2017-02-03 27 运动机器臂清洁空气 模拟 重叠网格应用 28 1 2 3 4 5 5 个运动组件网格 1 个背景网格 1 个衣领网格 (连接交叉壁面) Overlapping walls OK Intersecting walls not OK Collar Grid to connect intersecting walls 网格 *Note that the wall BCs wont be consistent for the overlapping wall regions 29 网格运动及重叠网格更新 30 Iso surface of increased temperature Representing “up-draft” of dirty air from the floor Stream lines at time 0.4s Default solver settings Incompressible k-eps scalable WF 2million cells, 400 time steps 4hours simulation time on 80cpu 结果 31 重叠网格跨音速投放 数值模拟& 密度基求 解器 32 t = 0.00 sec t = 0.20 sec t = 0.35 sec t = 0.45 sec t = 0.50 sec Initial overset interface 结果 Density Based Solver 33 结果 Density Based Solver 34 圆柱升降运动仿真分析 （重叠网格） 35 加密背景网格来捕捉自由液面变化 上表面为压力出口，x方向的两侧面定义为壁面，其它表面定 义为对称边界条件 圆柱的中心初始位置为 水面1inch处 网格 & 设置 36 Reference :-“Study of the transient heave oscillation of a floating cylinder by Soichi Ito, 1977” 理论值和实验值对比 结果 37 直升机旋翼运动分析 （重叠网格） 38 网格 & 设置 Component 2 Component 4 Component 3 Component 1 直升机旋翼叶片转动模拟 叶片转速： RPM: 360 Turbulence Model: SSTKW Time step size: 1e-4s 用4个衣领网格将4个叶片网 格连接到hub网格上 总共9个组件网格 Overset Mesh 8M cells Mesh for remeshing Mesh 7.7M cells 39 结果 Remeshing Overset x-force, Blade 1 Remeshing Overset y-force, Blade 1 Overset Mesh Remeshing Velocity magnitude x=0 40 涡轮叶片冷却 (C3X 涡轮机) 41 网格 & 设置 Pressure based coupled solver Ideal gas Steel solid blade SST k-omega Boundary conditions according to references 12 Conformal periodics Cell volume based Donor Priority Overset Mesh 2.4M cells Regular Mesh 1.4M cells NASA C3X Turbine Vane cascade geometry: 1 Hylton, L.D. et al. (1983), “Analytical and Experimental Evaluation of the Heat Transfer Distribution Over the Surfaces of Turbine Vanes” NASA CR 168015, May 1983. 2 E. R. Turner, M. D. Wilson, L. D. Hylton, and R. M. Kaufman, “Turbine Vane External Heat Transfer”, Vol I, NASA CR-174827, July 1985 42 结果 Overset Mesh Regular Mesh Blade wall quantities Mach Number Temperature 43 2D弹丸出膛分析 6DOF 44 网格 & 设置 与层铺动网格（non- conformal interface）计算结 比较果 Pressure based coupled solver SSTk-omega Noble-Abel real gas 弹丸后的初始条件为: p=3000 atm, and T=2700K Intersecting walls creates orphans 45 结果 Projectile position history Projectile velocity history - Orphans，dead cells和弹丸后 壁面影响弹丸的驱动力 - 由于在muzzle breaks处存在 orphans和dead cell导致的后处 理问题 46 船体6DOF分析 47 结果 48 2D高升力翼型气动分析 49 Background mesh 网格 & 设置 Conditions: MAC = 1m aoa = 20.18o M = 0.197 T = 300 K ReMAC = 3.52x10 PBNS, SST k-omega slat main flap High Lift configuration 50 结果 Mach Contours Turbulence Intensity 结构网格与重叠网格计算的结 果几乎一样 (网格量也相似， 约为300K) 这个仿真分析应该用转 SST 目前R18重叠网格与转捩SST模 型还不兼容 51 AIAA 2nd 气弹预测 Workshop 超临界机翼气弹测 试案例 52 网格 & 设置 重叠网格网格4.78M，重叠网 格Solve cells 4.76M网格单元 ANSYS Fluent 16.0已对该案例 进行了验证，粗网格为3.6M 网格单元，中等网格大约为 11.5M网格单元 15 m Background mesh Component mesh Flow direction 53 重叠网格的网格尺寸为中等网格量的结 构网格尺寸的一半 结构网格与重叠网格计算结果非常一致 结果 Frequency response function magnitude on Upper Surface Unforced steady-state, Cp vs Chord 54 2D弹头运动分析 Density Based Solver 55 网格 & 设置 Pressure outlet Pressure outlet Pressure outlet Challenges: 0-gap case T-junction discharge Un-avoidable Orphans Background mesh PBNS & DBNS SST k-omega Noble-Abel real gas 56 结果, 马赫数 PBCS DBNS 57 结果, 马赫数 DBNS 58 感谢聆听
