CN105427384A - 一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成cfd网格的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，属于数值模拟领域。所述发明包括获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形，根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格，以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格，在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，得到外部计算区域网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。相对于现有技术采用非结构化网格进行离散，不但可以有效改善对壁面流动的模拟精度，而且能够有效降低空间网格数量，缓解计算压力。

Description

一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法

技术领域

本发明属于数值模拟领域，特别涉及一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法。

背景技术

圆柱通常用于诸如斜拉桥的拉索、架空输电线路的导线及海上钻井平台的立柱、地下换热器等。在上述应用领域中，圆柱不可避免的遭受诸如风吹、水流的作用。流体流过圆柱或者圆柱群时，其产生的非定常绕流包含了丰富的流动现象，如边界层分离与再附、尾迹的三维效应、上下游圆柱的流动干扰等。流动干扰作用使得圆柱群的流动现象非常复杂，其非定常荷载也难以准确预测。为此，人们研究了采用诸如螺旋缠绕方式来抑制圆柱的非定常荷载，从而降低风吹、水流产生的振荡激励。

由于不同的缠绕方式(缠绕物形状、个数、螺距)对非定常气动荷载的抑制效果不同，而且圆柱的非定常流动特性随雷诺数的变化而改变，所以对于每个工程应用，均需要借助于风洞试验或者水洞试验开展相关研究工作。为了更深入的探究螺旋缠绕体对圆柱非定常荷载的抑制机理及对热交换效率的增强机理，研究人员也借助于CFD(ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学)方法开展了相关研究工作。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

在现有技术中，圆柱螺旋缠绕体的网格均基于非结构网格模式生成，即使在近壁面区域采用棱柱层来处理，得到的数值模拟结果的精度与完全结构化网格之间也存在一定差距，并且非结构网格的单元数量明显高于完全结构化网格，会增加计算量、降低计算效率。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，其特征在于，所述在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，包括：

获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形；

根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格；

将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格；

在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，在所述计算区域中，去除直径与所述截面直径相等的圆柱体区域，对剩余的计算区域生成完全结构化网格，得到外部计算区域网格；

将所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格进行搭接装配，得到整体计算网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。

可选的，所述截面图形垂直于所述圆柱螺旋缠绕体中圆柱的轴心。

可选的，所述将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格，包括：

将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距L平分为N段；

在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，每次旋转高度增加L/N，每次旋转角度为360°/N；

经过N次旋转拉伸处理后，得到高度为L、共N层的三维完全结构化网格。

可选的，所述在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互，包括：

在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，使用质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，实现质量、动量与能量在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格之间进行数据交互。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

相对于现有技术采用非结构化网格进行离散，不但可以有效改善对壁面流动的模拟精度，而且能够有效降低空间网格数量，缓解计算压力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法的流程示意图；

图2(a)是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法的垂直于圆柱轴线的截面形状一的结构示意图；

图2(b)是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法的垂直于圆柱轴线的截面形状二的结构示意图；

图2(c)是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法的垂直于圆柱轴线的截面形状三的结构示意图；

图3是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法中生成二维的完全结构化网格的结构示意图。

图4是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法中外部计算区域的边界条件的示意图；

图5是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法得到的网格的数值模拟效果示意图；

图6是本发明提供现有技术中使用的四面体/棱柱层混合网格的数值模拟效果示意图；

图7是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法生成的三维完全结构化网格的示意图；

图8是本发明提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法生成的整体计算区域及边界条件的示意图。

具体实施方式

为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。

实施例一

本发明提供了一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，如图1所示，所述在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，包括：

步骤一，获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形。

步骤二，根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格。

步骤三，将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格。

步骤四，在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，在所述计算区域中，去除直径与所述截面直径相等的圆柱体区域，对剩余的计算区域生成完全结构化网格，得到外部计算区域网格。

步骤五，将所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格进行搭接装配，得到整体计算网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。

在实施中，为了解决现有技术中非结构化网格存在的缺陷，本发明提出了一种基于完全结构化网格的在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，该方法具体包括：

首先，获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形。这里的圆柱螺旋缠绕体是在圆柱上以螺旋线方式缠绕单个或多个固定截面形状的物体，诸如导线、海上平台缠绕物、导线融冰缠绕丝线、拉索桥拉索的风振减振装置、地下水的热交换装置等，都是典型的圆柱螺旋缠绕体。对于圆柱螺旋缠绕体这类物体，从图2(a)、图2(b)、图2(c)可以看出每个垂直于圆柱轴线的截面形状基本相似。

接着，根据获取到的截面图形，生成二维完全结构化网格，该二维完全结构化网格的外接圆直径暂定为D，如图3所示。完全结构化网格可以利用相关软件如Pointwise，ICEMCFD等来生成，也可以采用自编写代码，按照有序格式来生成。

其中，二维完全结构化网格的特点是：将矩形按照对边网格点数相等的规则剖分成I×J(I，J均为正整数)个网格，并将网格点一对一映射到对应的四边形上去。而将一个区域分割成不同的四边形区域，就可以利用上述规则，对该区域生成结构化网格。对于本发明中用到的网格而言，该截面网格的外部边界为圆形，且距离圆柱螺旋缠绕体的距离足够远。

其次，基于前一步得到的二维完全结构化网格中，通过旋转拉伸的方式获取三维完全结构化网格，该步骤在后文中进行详细描述。

再次，前一步得到的三维完全结构化网格在空间中体现为具有直径为D的圆柱形网格面，但是由于该网格面施加所需的边界条件，于是设计一定厚度的长方体计算区域来模拟风洞试验段并施加对应的边界条件，且在长方体上挖去直径为D(该数值与前文中二维完全化结构网格外接圆直径相等)的圆柱，得到一个外部计算区域，并对其生成完全结构化网格，设置相关边界条件。

具体的边界条件如图4所示，计算区域指的是在这个区域的空间内开展计算，速度入口31边界条件为在该边界处指定来流的速度分量和参考压力。压力出口32为指定该边界位置处的环境压力。上壁面33、下壁面34是模拟风洞的上下壁面，在数值仿真中通常采用自由滑移边界条件，即忽略该壁面的摩擦，而气流只能沿壁面切向无摩擦的流过。周期边界35用于实现周期性流动的边界，比如说具有平移重复或者旋转重复的边界处，就可以采用周期边界来处理。本发明涉及的是平移重复，所以采用周期边界来实现将这两个侧面边界参数的重复。交界面36用于两个计算区域之间的参数交互，即一个计算区域在这个几何边界处，通过守恒方式(质量守恒、动量守恒、能量守恒)将其边界网格点上的物理参数向另一个计算区域在该几何边界处的网格点传递物理参数，反之亦然。

采用外部计算区域与圆柱螺旋缠绕体计算区域相交界的方式进行数据交互，而把流场边界设置在外部计算区域，壁面边界设置在螺旋缠绕体上，这样在调整参数时的设置较为简便易行。

最终，将前文获得的三维完全结构化网格和外部计算区域网格搭接在一起，并在二者的交界面处进行数据交互。

在本发明中对圆柱螺旋缠绕体的表面及空间，均采用结构化网格进行离散，这样可以具有较高的保型度，不仅能有效改善对壁面流动的模拟精度，而且能够有效降低空间网格数量，缓解计算压力。另外本发明中的方法构建出的完全结构化网格采用旋转拉伸方式生成，每一层的拉伸距离和转动角度都相等，因此网格具有很好的均匀性，保证了对展向流动模拟的一致性，从避免了因网格分布畸变或者不均匀而导致的模拟精度不足问题。

值得注意的是，现有的相关数值试验结果表明，在空间中构建的长方体网格(也称为六面体网格)对边界层内流动的计算精度明显优于四面体/棱柱层混合网格，图5为基于本发明网格的结果，图6为混合网格结果。对于低速流动来说，因为没有强间断(如超声速激波)的存在，所以，其所有流场参数随时间、空间的变化都是光滑连续的，这是低速绕流的物理特征。图5中基于本发明网格的结果很好地复现了流场参数连续光滑变化的物理特征。而从基于混合网格的结果即图6可以看出，其空间截面的流场参数分布具有明显的不连续，表明这类网格对流场参数连续光滑变化特征的捕获效果有一定不足，其数值模拟精度还可以进一步改善。

本发明提供了一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，包括获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形，根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格，以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格，在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，得到外部计算区域网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。相对于现有技术采用非结构化网格进行离散，不但可以有效改善对壁面流动的模拟精度，而且能够有效降低空间网格数量，缓解计算压力。

可选的，所述截面图形垂直于所述圆柱螺旋缠绕体中圆柱的轴心。

在实施中，获取到的截面图形需要准确垂直于圆柱螺旋缠绕体中圆柱的轴心，这样才可以确保在后续的旋转拉伸过程中，得到准确的三维完全结构化网格。

可选的，所述将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格，包括：

将所述圆柱的螺距L平分为N段；

在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，每次旋转高度增加L/N，每次旋转角度为360°/N；

经过N次旋转拉伸处理后，得到高度为L、共N层的三维完全结构化网格。

在实施中，为了得到准确的三维完全结构化网格，需要确定在圆柱螺旋缠绕体的螺距L平分为N段，同时将旋转一周即360°平分为同样的N份，这样在垂直于二维完全结构化网格的平面的方向进行旋转拉伸时，每当旋转高度增加增加L/N时，对应的旋转角度为360°/N。经过N次旋转拉伸后，就可以得到高度为L、共N层的三维完全结构化网格。

例如，将200mm按200次进行旋转，则每次将被操作对象的高度增加1mm，将被操作对象旋转1.8°，通过200次操作，就形成了200层的三维完全结构化网格。

为了更为清楚的表明这一过程，在图7中的三维完全结构化网格中，标注出了圆柱缠绕体中的圆柱1、圆柱1外侧的缠绕物2、周期边界网格3以及三维完全结构化网格的交界面4。

可选的，所述在所述圆柱螺旋缠绕体的三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。包括：

在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，使用质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，实现质量、动量与能量在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格之间进行数据交互。

在实施中，前文得到的三维完全结构化网格与外部计算区域网格构成的交界面上，使用质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，实现质量、动量与能量在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格之间进行数据交互。

这里之所以需要进行数据交互是因为，直接在图7中所指向的那个圆柱形交界面上很难同时设置入流和出流边界，所以需要借助于外部的如图8所示的长方体计算区域来设置入流、出流等边界条件。

在两个计算区域交界面处的计算参数交互，是通过各自边界上的网格点参数的交互来实现的。即一个计算区域在这个几何边界处，通过守恒方式(质量守恒、动量守恒、能量守恒)将其边界网格点上的物理参数向另一个计算区域在该几何边界处的网格点传递物理参数，反之亦然。

本发明提供了一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，包括获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形，根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格，以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格，在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，得到外部计算区域网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。相对于现有技术采用非结构化网格进行离散，不但可以有效改善对壁面流动的模拟精度，而且能够有效降低空间网格数量，缓解计算压力。

需要说明的是：上述实施例提供的一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法进行网格生成的实施例，仅作为该网格生成方法在实际应用中的说明，还可以根据实际需要而将上述网格生成方法在其他应用场景中使用，其具体实现过程类似于上述实施例，这里不再赘述。

上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，其特征在于，所述在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，包括：

获取圆柱螺旋缠绕体的截面图形；

根据所述截面图形，生成二维完全结构化网格；

将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格；

在所述三维完全结构化网格外的空间中，构建长方体计算区域，在所述计算区域中，去除直径与所述截面直径相等的圆柱体区域，对剩余的计算区域生成完全结构化网格，得到外部计算区域网格；

将所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格进行搭接装配，得到整体计算网格，在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互。

2.根据权利要求1所述的在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，其特征在于，所述截面图形垂直于所述圆柱螺旋缠绕体中圆柱的轴心。

3.根据权利要求1所述的在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，其特征在于，所述将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距平分为预设数量的分段，在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，得到处理后的三维完全结构化网格；，包括：

将所述圆柱螺旋缠绕体的螺距L平分为N段；

在所述二维完全结构化网格中以所述圆柱螺旋缠绕体中的圆柱轴线为转轴进行旋转拉伸处理，每次旋转高度增加L/N，每次旋转角度为360°/N；

经过N次旋转拉伸处理后，得到高度为L、共N层的三维完全结构化网格。

4.根据权利要求1所述的在圆柱螺旋缠绕体表面生成CFD网格的方法，其特征在于，所述在所述整体计算网格内的所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，进行数据交互，包括：

在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格的交界面处，使用质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，实现质量、动量与能量在所述三维完全结构化网格与所述外部计算区域网格之间进行数据交互。