全新体验的Fluent Meshing | 在过程装备中的应用-析模界

内容纲要

计算机技术飞速发展推动工业领域的变革，其中，以计算机技术为基础的建模与仿真技术在现代工业中逐步有了广泛的应用，随着数字化信息产品高速发展，这要求生产制造企业需要以最短的研发时间，最佳的产品质量、最低的成本以及最优的服务来赢得用户。

通常，过程装备所处的环境比较恶劣（高温、高压），结构复杂，内部涉及复杂的多相流动、传质、传热以及化学反应，并且实验测量困难，这都增加过程装备设计的难度。计算机模拟与仿真已成为与理论和实验研究并列的第三种科学研究手段，广泛应用于过程装备的设计与研发，帮助洞悉产品设计内因，代替部分实验，节约经费和时间，加速研发周期，优化操作条件。

根据应用领域不同，过程装备尺寸分布差别较大，小至毫米、厘米级别的微型反应器，大致几十米的大型设备。针对不同的尺寸设备，几何的建模、细节捕捉以及网格划分已成为仿真模拟时较为关注的问题。传统工程师在装备的设计建模时喜欢采用Solidworks，UG等此类三维建模工具，在进行CAE仿真时可以直接复用这些几何文件，通过Ansys SCDM可以直接对这些文件进行几何修复、细节简化、以及流动区域的抽取。另外也可采用SCDM直接进行几何建模。

几何结构修复：通过SCDM，能够快速的对几何文件进行检测，找到缺失面、多余的边/面，重叠交叉的区域等，并完成修复。

Ansys SCDM重叠交叉区域的检测修复

几何细节简化：针对大型的过程装备，经常会遇到外形尺寸大且内部结构复杂，若将所有的结构特性都考虑在内，网格量大，计算周期长。在不影响整体流场的情况下，可以忽略些不必要的细节特征，如一些不必要的倒角，螺丝螺母等信息，能大大减少网格数目，减小计算量。

Ansys SCDM针对几何细节的简化

流体域抽取：针对实际关注点不同，所研究的计算域也不同，主要分为外流场和内流场。设备厂商提供三维几何结构往往只有固体区域，在做CFD仿真时需要进行流体域的抽取，Ansys SCDM有一键抽取内外流体计算域的功能，帮助快速高效的进行流体域抽取。

Ansys SCDM针对流体域抽取

2019年全新推出的Ansys Fluent实现高效、高质量网格划分工作流，能针对复杂的过程装备，进行流程化（Watertight geometry Meshing和 Fault-tolerant Meshing）的快速生成高质量网格，将之前需要花费一周或者半个月时间才能生成的网格降低到几小时甚至几分钟，大大提高了工程师和研发人员的工作效率。在2020 R1以后版本中引入了中文界面，更加方便中国工程师的学习。

Ansys Fluent Meshing 2020 R1中文界面

流程化的网格划分

全新的Fluent Meshing引入了两种流程化的网格划分流程（Watertight geometry Meshing（WTM）和Fault-tolerant Meshing（FTM）, WTM主要针对比较干净几何结构文件进行网格划分，干净几何文件是指没有缝隙、缺失面、几何重叠等几何文件，否则将被归类为脏几何文件。针对脏几何文件Fluent Meshing推出了FTM工作流。通过这两种工作流可在单一操作界面操作树中一站式完成几何结构导入、全局/局部网格尺寸定义、面网格划分、边界条件预定义、计算域识别及抽取、边界层设置、网格划分类型选择及体网格划分等操作，最终直接切换到求解计算。

针对过程装备工业，经常会涉及装备优化工作，从而提升装备性能。此时装备的几何形状结构近似，对内构件的形状、尺寸，布局进行优化。针对此情况用户可以定义并保存网格划分模板，随后利用模板一键生成网格。

高质量的网格生成

全新Fluent Meshing还引入了Mosaic多面体网格和Poly-Hexacore多面体+六面体网格，多面体网格具有生成效率高、适应性好等优点，适合于复杂构体的网格划分，内部含有的Curvature和Proximity等尺寸函数，特别适合捕捉小型曲面、缝隙几何特征尺寸跨度大的装备的网格划分。此外，Fluent Meshing提供多种加密方式，如局部面网格加密、局部体网格加密、影响体（Body of Influence）加密等，其中影响体（BOI）方法可在不对初始几何进行分割的条件下，规定加密区域，对其进行整体加密。

网格案例1

网格案例2

以下图为例，需要分析螺旋钻的外流场，螺旋钻结构极为复杂，包含些非常细小的局部特征，如螺旋曲面、螺丝、连接接头等，内部总共包含795个装备零部件。这时采用Fluent Meshing的FTM功能，能很好的捕捉细小的结构特征，并快速的生成网格，边壁采用棱柱型网格，中间采用六面体网格，网格总约一千八百万。

螺旋钻的外流场网格

并行效率的提高

Fluent Meshing支持体网格并行划分，可以充分利用计算资源提升网格生成效率。如下面复杂游艇的外流场网格为例，生成Poly-Hexcore类型网格，网格总数三千一百五十万，采用单核需要73分钟生成体网格，当采用64核并行时仅仅需要7分钟就能生成体网格。通过并行划分网格，将网格生成效率提升了近10倍。

游艇的外流场网格

高精度的仿真结果

Fluent Meshing Poly-Hexcore划分的网格具备高质量、低数量的特点，这使得基于Fluent Meshing划分的网格在数值计算上往往表现出计算精度高的特点。为了验证不同网格类型对模拟精度的影响，以液固两相搅拌釜为例，采用Poly(纯多面体)，Poly-Hexcore（多面体与六面体网格混合）方法生成的网格与纯六面体网格的计算结果进行对比。模拟首先进行了网格无关性验证，结果显示，随着网格的加密，对结果没有太大影响，当前的网格满足计算要求，并且Poly与Poly-Hexcore生成的网格计算结果没太大差别。

下图是将归一化的搅拌速度与颗粒云沉降高度进行对比，左边的两幅图是单桨计算与实验结果对比，右边是双桨计算与实验结果对比图；上面两幅图是固含率10%时结果对比，下面两幅图是固含率为15%时结果对比。结果显示在26种操作条件下，采用Poly-Hexcore生成的网格配合Euler-Granular方法，更加能准确的模拟搅拌釜中颗粒的沉降过程。需要特别指出，采用之前的方法生成纯六面体网格可能需要2~3天的时间，而当几何结构相对干净时，采用WTM方法只需要5~10分钟便能生成网格。