儘管現在fea及cfd**現了一些無網格軟體,然而對於大多數cae使用者來說,網格劃分依舊是乙個非常重要的任務。怎麼強調 生成高質量的網格的重要性都不過算過分。
然而「高質量的網格」或者說「足夠好的網格」,該如何定義呢?僅僅依靠網格生成軟體輸出的網格質量報告來評價麼?當然分析網格生成軟體輸出的網格質量報告是網格劃分過程中必不可少的一部分,但是僅靠軟體輸出的這些關於網格質量的報告是不夠的,使用者還應當結合自己的物理問題,才能對網格是否足夠好作出準確判斷。
很不幸,人們對於「好網格」存在誤解。如今在工程專業課堂中已經很難找到網格劃分方面的課程了,網格劃分的數值演算法在大多數的工程專業中也都變成選修課了。因此,新一代的cae使用者對於「cae系統中網格生成器是如何工作的」缺乏認識就不足為奇了。
誤區1
好的網格必須完全符合cad模型
如今,越來越多的cae使用者是從設計師轉崗或兼職而來,他們通常都接受了良好的cad培訓,更傾向於分析所有的幾何細節。他們相信細節越多意味著更真實。
這種想法是錯誤的,在更多的情況下,好的網格應該是能更好的反映物理本質,而不是完全貼合cad模型。
cae**的目的是獲取計算物件上的物理量分布,如應力、應變、位移、速度、壓力等。cad模型僅僅只是物理物件的簡單近似,其中包含了大量與分析不相關的細節,這些細節對於計算分析準確性貢獻很小,卻會極大的增加計算開銷。因此,了解系統中的物理模型至關重要,好網格應當基於物理模型並對cad模型進行簡化。
總結來說,就是:只有當對自己系統中的物理模型非常了解,才有可能生成好的網格。
誤區2
好的網格總是好的
我們常常能看到很多cae使用者為獲得高質量網格,花費大量時間和精力在改變網格尺寸、分解幾何及簡化幾何等方面,他們仔細地檢查網格劃分軟體中關於網格質量的輸出報告並對網格劃分過程進行精細的控制。
這當然是很有必要的,但是過猶不及,因為好的網格並不一直都是好網格。網格好與壞取決於要模擬的物理問題。
例如,當你劃分了乙個非常好的網格,能夠完美的捕捉翼型表面的流動,並且能準確的計算所有的力。但是如果當計算條件發生了改變,比如說流動攻角從0°變成了45°,之前好的網格還是好網格麼?很有可能就不是了。
乙個好的網格總是與具體的物理問題相關聯。當計算條件發生改變(如改變邊界條件或載荷條件,改變分析型別或流動模型)後,好的網格可能會變為不好的網格,雖然幾何形狀並沒有發生任何改變。
誤區3
六面體網格總是優於四面體網格
許多老的教科書會告訴你六面體(四邊形)網格要比四面體(三角形)網格更好,並且會告訴你使用四面體或三角形網格會產生多麼大的數值誤差。特別是在15或20年前,這可能是事實。
歷史上,人們更喜歡六面體網格,因為:
隨著求解器技術的發展,對於大多數問題,大多數商業fea及cfd程式採用四面體網格也能得到六面體網格類似的計算結果。當然,四面體網格通常需要更多的計算資源,但是這也很容易地被在網格生成環節所節省的時間相抵消。對於大多數工程問題,六面體網格的精度優勢實際上已經不再存在了。
對於一些特殊的應用,如風力透平,幫浦或飛機翼型,仍然優先使用六面體網格。原因在於:
然而對於大多數fea及cfd使用者來說,如果幾何表面稍微複雜,在六面體網格生成上花費時間是一種浪費。大多數情況下,計算結果並不會更好。而求解計算節省的時間甚至還不如網格生成花費的時間。
誤區4
好網格不可能通過自動網格劃分生成
軟體**商為了證明自己的網格劃分軟體很高階(通常**也很高階),他們會告訴你他們的軟體允許你進行各種手動控制。潛台詞就是說只有手動控制才能生成更好的網格。
當然對於銷售人員來說,好的網格需要手動控制。但是對於工程師來講,你需要知道這是一種誤導。好的網格劃分軟體應該能夠智慧型的分析底層幾何:計算曲率、找到溝槽、找到小的特徵、找到硬的邊特徵、找到尖銳的夾角等。並能更具這些分析得到的資料採用更合適的網格劃分引數。
這些都是自動網格劃分應該做到的。對於大多數使用者來說,軟體可以收集更多的底層幾何資訊。因此,相對於大多數使用者來說,軟體應該能夠設定更優的引數以獲取更高質量的網格。因為軟體能夠獲取更多的資訊。
當然對於每天使用網格劃分軟體,並且長時間處理類似的幾何的高階使用者來說,情況又有些不同。這些使用者對於要求解問題的物理背景了解非常透徹,但是網格劃分軟體卻做不到這一點。然而這樣的高階使用者數量是越來越少了。
通常對於網格質量,除非你使用的是非常糟糕的網格劃分軟體,否則自動網格劃分能夠比人做得更好。手動控制是為那些對問題背後的物理原理了解非常清楚的人準備的。
誤區5
好網格數量都很多
現如今,hpc資源很容易獲得,即便是乙個學生也可能嘗試利用1000~2000萬網格求解cfd問題。在大多數cae使用者的眼中,網格數量多意味著高保真度。
但是這並不是真的,因為一些物理問題必須建立模型。例如在cfd中,如果要使用標準壁面函式,則粘性子層內的任何節點都會使得壁面函式失效,這不僅浪費計算資源,還有可能造成非物理解。即使使用les,過度細密的網格也可能導致更大的誤差以及非物理解。
細密的網格並不意味著就是好的網格。網格劃分的目的是在離散的位置獲得解,良好的網格應該服務於計算模型,只要計算結果符合物理事實且足夠準確,網格就是好的網格。
另乙個關於此誤解的例子。大多數使用者總數喜歡使用完整的3d模型,在他們眼中,全3d模型是最符合現實的。然而如果問題是對稱的,使用部分幾何會得到更好的計算結果,因為對稱條件是強制執行的。如果問題是軸對稱的,則2d結果可能比大多數3d結果更準確。然而,新一代的cae使用者並沒有充足的時間了解要模擬的系統背後的物理原理,他們很難對模型進行簡化。因此,cae規模不必要的越來越大也就不奇怪了。
總結
目前,cae依舊依賴於網格。好的網格應該:
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