小白的CFD之旅20 计算区域的构建

Posted 2020-08-28 CFD仿真

计算域是什么
计算域如何创建
常用的建模软件
计算域几何的特殊之处
具体的计算域提取方法
小白总结

自从上次在食堂听了小牛师兄关于计算网格的一些问题后，小白决定在寒假期间好好的补习一下关于计算网格的划分内容。在之前小白也接触了一些CFD软件，像Fluent，CFX等，在做案例的过程中同城使用的是别人已经提供好的计算网格，严格说起来小白还没有自己动手生成过计算网格。这下真正说起要动手创建网格，小白还真的是懵了，不知道从哪儿下手。小白找到了黄师姐。

“师姐，我们考完试了，有什么任务分配需要我做的么？”小白在QQ上问。
“考完试了呀，那就可以认真的学习一下流体仿真的内容了，现在项目上很缺人手。”黄师姐回复。
“恩，就是有一些关于这方面的问题要请假一下。这半年我练习了很多流体计算案例，但是对于真正的工程问题，还是存在很多的问题。最基本的问题，比如流体计算区域的创建，到底该怎么弄呢？”小白问。

“你说的是计算域的构建问题，噢，对于新手来说还真有一些问题需要注意。”

计算域是什么

“首先你要清楚，计算域是流体计算所要考虑的区域，其包含了时间域和空间域。空间域好说，就是我们告诉计算机所要求解计算的区域的长宽高等几何尺寸，而时间域则指的是我们告诉求解器需要考虑的时间范围。比如说要考虑管道内部流体流动特征，那么空间域则指的是管道内部流体所能够到达的空间范围，而时间域则取决于我们所要考虑的时间段，是1秒钟还是1小时，取决于我们自己。”

"流体计算域，指的是流体能够达到的区域，但是我们知道，我们目前所用的CFD求解器除了能够解决流动问题之外，还能解决热问题。因此虽然流体无法在固体中流动，但是热量可以，温度可以在固体中分布。所以流体计算域中除了流体域之外，还可能包含有固体区域。”

“除了流体域和固体域，在流体计算过程中，一些特殊的模型还可能包含一些特殊的区域，他们都是流体域的一些简化形式。比如说模拟多孔隙结构的多孔区域，模拟发热的源区域等，这些其实也都是流体域，只不过简化了几何模型而已。”

“总而言之，计算域就是我们要告诉计算机的计算区域”。

计算域如何创建

“明白了，计算域就是要提交给求解器的几何模型，可以这么理解么？”小白问。
“可以这么说。”黄师姐答。
“那这些几何该如何得到呢？”小白继续问。

“几何模型的创建有很多方法，大多数情况下我们利用专业的CAD软件来生成计算模型，对于复杂的几何模型尤其是这样。当然一些简单的几何模型，也可以利用CAE前处理软件来创建。”黄师姐这样说。

常用的建模软件

“比较常用的有哪些软件呢？”小白继续问。
“常用的软件如机械的CAD软件，像UG NX， Pro/E, Catia, Solidworks等，医学领域也有用CT成像来生成几何的，甚至可以采用一些激光扫描手段来生成几何。总而言之，不管采用何种方法，最终的目的是要获得数字模型。”黄师姐说。

常用的机械CAD软件：

• Solidworks：很容易上手，学习周期非常短，通常有一下午的时间就能能够独立操作了，该软件早些年被达索收购。
• Catia：非常强大的3D建模软件，目前为达索的核心产品。
• UG NX：西门子公司的3D建模软件，功能强大且全面。
• SolidEdge：同样归属西门子公司，直接竞争对手为solidworks，建模方式简单，软件对计算机性能要求颇高，低配置计算机可能有点卡顿。
• PRO/E：PTC公司的3D建模软件，中规中矩。
  另外还有一些非主流软件，如Inventor，犀牛等。其实还有不少的CAE前处理软件，也具备比较强大的几何建模功能，如ANSYS Workbench中的DM，SCDM等模块，STAR CCM+的几何创建模块等，这些前处理模块也可以用于创建计算域几何。

计算域几何的特殊之处

“流体计算域几何与一般的意义上所说的几何模型并没有什么不同，唯一不同的地方只是你在与，流体计算域表征的是流体流经的区域，因此与实体几何有些差异。还是拿管道来打比方，我们说管道的几何模型包含的特征参数包括管道的内径、外径以及管道长度，这是实体模型，然而如果要计算管道内部流体流动而创建的计算域模型，则可能只需要管道内径及长度这两个参数了，由于流体不能进入管道壁面内，因此管道外径这一参数就不需要了。”

“因此在创建流体计算域几何时，常常需要采用特殊的方法将计算区域几何从实体几何中抽取出来。而有一些要考虑实体几何外部流场的情况，则需要建立外部流体计算域。不管是考虑内部计算域还是外部计算域，几何建立方法都可以采用布尔运算来实现。”

具体的计算域提取方法

“布尔运算是一种通用的提取流体计算域的方法，当然一些CFD前处理软件中也提供了一些快捷创建的功能，但其原理还是利用了布尔运算。比较常用的关于计算域的创建方法，可以利用ANSYS DM中的Fill及Enclosure功能，也可以利用ANSYS SCDM中的抽取体积功能，其实具备这些功能的软件很多。”

小白总结

• 计算域是流体计算所考虑的区域，计算域包含时间域和空间域，超出计算域的区域是不被求解器所考虑的。
• 流体计算域中可能包含有固体区域。
• 常常采用专业的CAD软件来创建计算域几何模型，有时也用CAE前处理软件来创建。
• 利用布尔操作可以很方便的创建流体域几何。