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CAE/模拟仿真 |
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三维实体造型方法对CFD计算影晌的研究 |
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作者：马玥珺 赵记涛 杨玉敏 |
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1 引言
蜗壳是水力机械的重要过流部件之一，其性能直接影响到水力机械整机的性能。为了减少蜗壳内部的水力损失以提高水力机械的效率，国内外许多专家学者对水力机械蜗壳内部流动进行了大量的研究。其内部流动的研究方法一般可分为三种：理论分析、实验研究、数值计算。
随着计算机技术与计算流体力学的发展，CFD(计算流体力学)计算在许多领域都得到了广泛的应用。CFD计算的求解过程一般为：1)三维实体建模；2)计算网格的生成；3)流动问题的离散求解；4)计算结果的分析与评价。目前，CFD计算研究的重点在于对计算方法或数学模型方程的改进，以提高计算的稳定性、精度及计算效率。但值得注意的是，蜗壳内部的CFD分析是建立在精确的实体模型和良好质量的网格模型基础之上的，而网格模型的基础也是实体模型，由此可见，三维实体模型在CFD分析中的作用是不容忽视的。许多三维造型软件(如MDT、Pro/E等)为蜗壳的实体建模提供了良好的方法，通过造型均能生成满足流动要求的光滑实体模型。但是应用不同软件提供的造型方法或同一软件提供的不同造型方法生成同一蜗壳的实体模型在划分网格时，采用相同的网格类型与网格间距，生成的网格的数目及质量存在很大的差别。
本文以参数化的三维造型软件Pro/E为造型环境，采用Pro/E提供的零件模块和曲面造型模块的三维造型功能及实体转换特征，对同一蜗壳进行三维实体造型，并将生成的蜗壳实体导入网格生成软件Gambit2.0，进行网格划分，再将网格模型导入Fluent6.0检查网格质量。通过对不同方法生成的蜗壳实体模型的计算网格进行对比分析，揭示了蜗壳实体模型不同生成方法对CFD计算网格具有一定影响，并初步分析了该影响产生的原因及对CFD计算的影响。为提高CFD计算网格的质量、计算稳定性、精度及计算效率提供了参考。
2 基于Pro/E的不同造型方法的蜗壳实体建立
2.1 蜗壳造型的一般几何思想
众所周知，水力机械蜗壳可分为两部分，分别是蜗形体与扩散管。其中，蜗形体的结构是流道渐扩的对数螺旋形，其空间结构相对来说不规则，因此，在三维造型上存在一定困难。通过对蜗壳空间结构的分析可以得到其蜗形体部分造型的一般几何思想：将螺旋部分沿径向取若干断面，断面取得越多则生成的实体模型越精确，然后对各断面之间作光滑的过渡，形成整个的空间实体。扩散管部分亦是如此。
这两部分造型的几何思想原理图如图1。
图1 蜗壳绘形原理
2.2 不同造型方法对同一蜗壳的实体模型建立
Pro/E环境下，采用混合扫描特征与边界混合特征建立蜗壳内部流动实体模型。选用型号为IB65-40-200单级单吸离心泵的蜗壳为造型实例，其断面形式为梯形。
1) 混合扫描特征对蜗壳实体的建立
混合扫描是零件模块提供的高级建模方法，是混合与扫描的组合。其特征是两个或两个以上的截面沿着用户自定义的轨迹拉伸为实体。在对蜗壳三维造型时，选择蜗壳的基圆为扫描的轨迹，截面选择蜗壳平面图中的八个断面，值得注意的是混合扫描有三种类型，选择垂直于原始轨迹。实施混合扫描后建立的实体模型如图2(a)。
2) 边界混合对蜗壳实体的建立
仅边界混合特征操作是不能建立实体模型的，还需要对边界混合建立的一族曲面进行合并曲面和实体化面组，才能得到实体。边界混合是通过定义曲面的外边界来建立一个特征曲面，特征曲面可以通过在一个或两个方向上选择参照图元来定义。合并与实体化面组是Pro/E提供的实体化转换功能。
在建立实体模型时，首先应在三维坐标系下建立蜗壳断面图与边界，边界可取基圆或蜗壳平面图的螺旋线，可选其中一个也可都选。实施边界混合后，进行合并和实体化面组，最终得到蜗壳实体如图2(b)。
图2 蜗壳实体图
3 计算网格对比及原因分析
3.1 计算网格的生成
计算网格是CFD模型的几何表达式，也是数值模拟和分析的载体，网格的质量对CFD计算精度和计算效率有重要的影响。由于网格生成及网格质量在CFD分析中的重要作用以及网格生成的复杂性，所以出现了许多商业化的专业网格生成软件，如GAMBIT、TGRID、GEOMESH、PREBFC等。本文采用GAMBIT2.0软件，它所生成的网格可供多种CFD程序或商用CFD软件使用。
将不同方法建立的蜗壳实体模型导人Gambit2.0，进行网格划分，采用相同的网格类型与相同的网格间距，进行网格生成。对网格生成完毕的模型设定边界条件与区域类型，生成网格模型。导入FLUENT6.O进行网格质量检查。
具体的网格类型和网格间距以及网格划分的结果见表l，网格检查的结果见表2。
3.2 结果对比分析
从图2可知，对于IB65-40-200用的蜗壳应用混合扫描建立的蜗壳实体模型与应用边界混合后实体转化建立的实体模型，在外观效果上是没有差别的，且实体模型均光滑；从表l和表2中可知，在采用相同的网格类型与与网格间距的情况下，两个实体模型所生成的网格数目、面数、节点数存在很大的差别，这就说明不同的造型方法对生成的网格数目有一定影响；而且在FLUENT6.0环境下初步处理网格所移动的网格数目的差别来看，不同的造型方法对生成网格的质量也有很大影响。由于网格数目、节点数目、网格质量、占用内存等存在着差别，从而也影响了后续CFD计算求解的稳定性、精度、计算效率等，同时也造成对计算机的软硬件的配置要求不同。
总之，蜗壳实体模型的生成方法对CFD计算网格的影响颇大，说明蜗壳三维造型在其内部CFD分析中的作用是不容忽视的。进一步分析可知，实体模型影响到蜗壳整个内部CFD分析过程。
3.3 产生差别的原因分析
经初步分析。并结合计算机图形学和计算机辅助几何设计学的知识可知，造成网格出现巨大差别的原因主要是系统对模型信息的记录不同。描述三维物体的信息可分为几何信息和拓扑信息。几何信息是用以确定物体每个分量在欧氏空间的几何位置(如点坐标)和描述(如平面．曲面描述)；拓扑信息是用来确定几何元素的数目及相互间的连接关系的。而造成模型信息不同的具体原因有两种：1)计算图形学的基本造型原理不同造成的信息差别；2)在基本造型原理相同的前提下，输入模型参数不同造成的差别。下面分别结合蜗壳的造型情况作简要的说明。
1) 在计算机图形学中，基本的三维造型方法有垂直或平行扫掠造型、旋转扫掠造型、布尔运算造型、曲面造型等。在蜗壳三维建模时，采用的混合扫描技术是垂直扫掠造型的扩展类型，略有不同的是二者几何信息的算法不同，其它的处理方法均一样。对于边界混合应属于曲面造型。由于基本造型方法的生成算法和对模型的输入参数不同，于是生成的模型几何信息和拓扑信息也不同，从而导致生成模型的控制点、面、环等不同，最终造成计算网格的差异。
2) 相同的造型原理。其基本生成算法是相同的，但是实际的造型过程中，用户对模型的输入参数输入不同，造成模型的几何与拓扑信息的不同。比如对蜗壳造型的边界混合特征，由于其控制边界用户选择不同，或选择的个数不同，其生成的模型亦是不同的。在采用混合边界造型时．应用一条边界和三条边界分别造型。导入GAMBIT后，检查生成模型的面数和网格数目，利用三条边界生成的模型的面数要远远少于利用一条边界生成的模型，网格数目亦是如此。
由上述产生的原因可以知道，在进行蜗壳的三维造型时。应慎重选择造型方法。
4 结论
1) 采用不同的造型方法建立同一蜗壳的实体模型，分别划分网格，并进行网格检查，最后比较其结果可知，生成实体模型的造型方法对CFD计算网格的生成是有影响的，即不同的造型方法生成的实体模型对CFD计算网格是有影响的。
2) 本文初步分析了蜗壳实体模型对CFD计算网格影响的产生原因，为提高蜗壳实体模型的建模精度提供了参考，同时也为提高蜗壳内部CFD分析的计算稳定性、计算精度、计算效率，降低运行环境的软硬件要求等提供了参考。
3) 本文虽然仅分析了蜗壳实体模型对CFD分析的影响，但也反映出其他流动或传热传质模拟问题中，实体模型对计算网格及后续计算求解影响的普遍性。针对该影响产生的原因，在CFD分析之初，对所分析的三维实体造型方法予以充分的认识，认真研究模型造型原理，慎重选择造型软件、造型方法及造型步骤，这样对提高模型的精度是有帮助的。选用适合的造型方法可以降低实体模型对计算网格及CFD计算的影响，可以提高计算的稳定性、精度及计算效率，并且对降低运行环境的软硬件配置等也是有利的。
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(3/12/2009) |
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