CN111222211A - 一种微通道单元cfd流固耦合结构化六面体网格划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法。该方法包括：建立基于横截面为矩形且流程上带90°拐角的微通道单元的三维几何模型；在拐角外侧的相交线建立创建点、建立创建点与拐角内侧相交线交点的连线；建立固体计算域拓扑块；切分固体计算域拓扑块为O形拓扑块，定义流体计算域拓扑块，切分流体计算域拓扑块为O形拓扑块；设置所有拓扑线节点参数，生成流固耦合的结构化六面体网格。本发明易于在拐角处生成拓扑块，实现沿着流体流向建立拓扑块的连贯性，保证微通道单元的固体、流体计算域有效分割，实现固体、流体计算域的拓扑块与三维几何模型之间的准确关联，确保不同区域的高质量网格，具有较高的网格生成效率。

Description

一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法

技术领域

本发明属于计算流体动力学(CFD)网格生成技术领域，具体是涉及一种基于横截面为矩形且流程上带90°拐角的微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法。

背景技术

随着电子器件的集成度越来越高，电子器件的发热功率越来越大，传统的冷却方式已无法满足越来越高的散热要求，基于此，微通道换热技术获得大量研究和发展，已成为在小空间内高热流密度冷却的重要手段。

目前，基于横截面为矩形的流体通道已成为主要的微通道单元结构形式，微通道换热器一般由多个微通道单元并联组成，在散热面积较大的情况下，需要微通道单元在一个平面内表现出多次迂回的管道流程，在迂回处的微通道单元通常存在9O°拐角。

为了克服试验成本高、周期长、微通道内部换热机理难以观察的缺点，需开展计算流体动力学(CFD)仿真研究，而网格划分是实现CFD研究的前提条件。为了简化计算模型，降低网格划分难度，普遍做法是仿真模拟某一微通道单元来研究整个微通道换热器的换热性能。

在微通道换热过程中，热源的热量先经固体材料(如钢、铜等)的热传导，再传入通道内冷却液，因此需开展流固耦合传热分析，故而必须开展流固耦合CFD网格划分。

基于Ansys ICEM的拓扑块功能生成的六面体网格又称结构化体网格，相比于四面体等非结构网格，计算机生成网格的计算量小，容易获得高质量网格，使得CFD仿真模拟更容易收敛。然而目前针对基于横截面为矩形和带9O°拐角流程的微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格的具体划分方法属于空白阶段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明结合Ansys ICEM软件创建一种基于横截面为矩形且流程上带90°拐角的微通道单元CFD流固耦合的结构化六面体网格划分方法。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法，包括以下步骤：

步骤(1)：建立基于横截面为矩形且流程上带90°拐角的微通道单元的三维几何模型，其中，微通道单元中流体通道的横截面也为矩形，所述横截面与流体流动方向呈垂直关系，所述三维几何模型中固体几何域、流体几何域之间的接触面重合为一个面；

步骤(2)：针对步骤(1)的所述三维几何模型中固体几何域、流体几何域的所有拐角，以拐角内侧相交的两条线的交点为参考点，在拐角外侧相交的两条线上各建立一个对应创建点，其中，所述拐角内侧相交的两条线与所述拐角外侧相交的两条线位于同一平面，所述参考点与对应创建点之间的连线与对应创建点所在的线垂直；再分别建立所述参考点与对应创建点之间的连线；

步骤(3)：基于步骤(2)的创建点与连线，依次建立从流体入口处至流体出口处的固体计算域拓扑块，其中固体计算域拓扑块全部包络步骤(1)的三维几何模型；然后基于步骤(2)的创建点与连线，建立固体计算域拓扑块与步骤(1)的三维几何模型中固体几何域的关联；

步骤(4)：切分步骤(3)中固体计算域拓扑块为固体计算域O形拓扑块，将固体计算域O形拓扑块的所有中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，结合步骤(2)的创建点与连线，建立流体计算域拓扑块与三维几何模型中流体几何域的关联，再切分流体计算域拓扑块为流体计算域O形拓扑块；

步骤(5)：基于步骤(3)～步骤(4)生成的固体计算域拓扑块与流体计算域拓扑块，设置所有拓扑线的节点参数，再生成固体计算域、流体计算域耦合的结构化六面体网格。

进一步的技术方案，所述步骤(3)包括：

步骤(3.1)：以步骤(1)的三维几何模型中流体通道入口面所在平面的任意线为起始线位置，沿着流体流动方向，以第一个拐角处基于步骤(2)建立的连线为终止线位置，建立固体计算域拓扑块，其中起始线和终止线不在三维几何模型的同一面上，终止线位于固体几何域的外壁面且与拐角处流体流入方向垂直；

步骤(3.2)：以步骤(3.1)创建的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流入方向垂直的拓扑面为起始参考面，沿着流体流动方向，以步骤(2)中创建的连线为拉伸方向，并以该连线沿流体流动方向的终点为拉伸终止点，拉伸形成第一个拐角处的固体计算域拓扑块，其中拉伸方向的连线位于固体几何域的外壁面且与拐角处流体流入方向平行；

步骤(3.3)：以步骤(3.2)创建的第一个拐角处的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流出方向垂直的拓扑面为起始参考面，沿着流体流动方向，以第一个拐角与第二个拐角之间任意的固体几何域拐角内侧的线为拉伸方向，并以该线上沿流体流动方向的终点为拉伸终止点，拉伸形成第一个拐角处与第二个拐角处之间的固体计算域拓扑块，其中，拉伸方向的线位于固体几何域的外壁面；

步骤(3.4)：依次类推，按照步骤(3.2)～步骤(3.3)的方法，沿着流体流动方向，依次拉伸创建包络步骤(1)中三维几何模型的所有固体计算域拓扑块；

步骤(3.5)：结合步骤(2)的创建点和连线，建立固体计算域拓扑块的所有拓扑点、拓扑线、拓扑面与步骤(1)的三维几何模型中固体几何域对应位置的点、线、面之间的关联。

进一步的技术方案，所述步骤(4)包括：

步骤(4.1)：选择基于步骤(3)中的所有固体计算域拓扑块，以与流体通道入口面所在平面、流体通道出口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的两个拓扑面为参考面，将固体计算域拓扑块切分成固体计算域O形拓扑块；

步骤(4.2)；将步骤(4.1)中固体计算域O形拓扑块的所有中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，基于步骤(2)的创建点和连线，建立流体计算域拓扑块的所有拓扑点、拓扑线、拓扑面与步骤(1)的三维几何模型中流体几何域对应位置的点、线、面之间的关联；

步骤(4.3)：选择基于步骤(4.2)中的流体计算域拓扑块，以与流体通道入口面、流体通道出口面建立关联的流体计算域拓扑块的两个拓扑面为参考面，将流体计算域拓扑块切分成流体计算域O形拓扑块。

本发明的有益效果在于：

(1)解决了现有技术中不能生成基于横截面为矩形和带90o拐角流程的微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分的技术问题；

(2)基于沿着流体流动方向依次建立拓扑块，使得拓扑块的物理意义明确，为适用于不同拐角数量和尺寸参数的微通道单元网格生成提供一种流程化设计方法；

(3)通过在拐角处的相交线上创建点以及创建点与参考点之间连线，易于在拐角处生成拓扑块，能够很好地适应拐角处流体流向改变的情况，为沿着流体流动方向依次建立拓扑块提供参照，实现全部计算域拓扑块的生成连贯性；

(4)微通道单元沿长度与横截面各方向的尺寸差异巨大，拐角处的面不规则性突出，难以建立高质量的六面体网格，本发明通过在拐角处的创建点及其与参考点的连线，方便实现固体计算域、流体计算域在拐角处的拓扑块生成，保证固体计算域、流体计算域拓扑块的拓扑点、拓扑线分别与固体几何域、流体几何域的点、线(尤其是拐角处的点、线)之间建立准确的关联，同时使得拓扑块形状具有正交性，易于生成高质量六面体网格；

(5)通过O形拓扑块的生成，实现固体计算域、流体计算域的有效分割，以建立固体计算域、流体计算域拓扑块的耦合，在拓扑线节点参数设置后，可以一次性整体实现固体计算域、流体计算域的网格生成，保证重合面网格节点的一致性，提高流固耦合网格的生成效率。

附图说明

图1为微通道单元三维几何模型图。

图2为基于拐角处的创建点、创建点与参考点的连线示意图。

图3为沿流体流动方向第一个拐角处固体计算域拓扑块的示意图。

图4为流体入口处、流体出口处固体计算域拓扑块示意图。

图5为流体入口处截取的固体计算域O形拓扑块结构图。

图6为拐角处截取的固体计算域O形拓扑块结构图。

图7为流体入口处截取的固体计算域O形拓扑块、流体计算域O形拓扑块的结构图。

图8为拐角处截取的固体计算域O形拓扑块、流体计算域O形拓扑块的结构图。

图9为流体入口处截取的网格示意图。

图10为拐角处截取的流固耦合六面体网格示意图。

附图中标记的含义如下：

11a—流体入口处固体几何域的第一交点；11b—流体入口处固体几何域的第二交点；11c—流体入口处固体几何域的第三交点；11d—流体入口处固体几何域的第四交点；

12a—拐角内侧第一组相交线的交点；13a—第一创建点；14a—拐角外侧第一组相交线的交点；15a—第二创建点；

12b—拐角内侧第二组相交线的交点；13b—第三创建点；14b—拐角外侧第二组相交线的交点；15b—第四创建点；

21a—流体入口处固体几何域的第一边线；21b—流体入口处固体几何域的第二边线；21c—流体入口处固体几何域的第三边线；21d—流体入口处固体几何域的第四边线；

22a—流体通道入口面的第一边线；22b—流体通道入口面的第二边线；22c—流体通道入口面的第三边线；22d—流体通道入口面的第四边线；

23a—流体通道出口面的第一边线；23b—流体通道出口面的第二边线；23c—流体通道出口面的第三边线；23d—流体通道出口面的第四边线；

24—拐角内侧相交面的交线；24a—固体几何域拐角内侧相交面的交线；24b—流体几何域拐角内侧相交面的交线；

25—拐角外侧相交面的交线；25a—固体几何域拐角外侧相交面的交线；25b—流体几何域拐角外侧相交面的交线；

26a—拐角内侧第一组相交线中的第一线；27a—拐角内侧第一组相交线中的第二线；28a—拐角外侧第一组相交线中的第一线；29a—拐角外侧第一组相交线中的第二线；210a—第一连线；211a—第二连线；

26b—拐角内侧第二组相交线中的第一线；27b—拐角内侧第二组相交线中的第二线；28b—拐角外侧第二组相交线中的第一线；29b—拐角外侧第二组相交线中的第二线；210b—第三连线；211b—第四连线；

31—流体通道入口面；32—流体通道出口面；33—网格剖面；

41a—拐角处第一组的第一拓扑点；42a—拐角处第一组的第二拓扑点；43a—拐角处第一组的第三拓扑点；44a—拐角处第一组的第四拓扑点；

41b—拐角处第二组的第一拓扑点；42b—拐角处第二组的第二拓扑点；43b—拐角处第二组的第三拓扑点；44b—拐角处第二组的第四拓扑点；

45a—流体入口处固体计算域拓扑块的第一拓扑交点；45b—流体入口处固体计算域拓扑块的第二拓扑交点；45c—流体入口处固体计算域拓扑块的第三拓扑交点；45d—流体入口处固体计算域拓扑块的第四拓扑交点；

51a—拐角外侧第一组相交拓扑线中的第一拓扑线；52a—拐角外侧第一组相交拓扑线中的第二拓扑线；

51b—拐角外侧第二组相交拓扑线中的第一拓扑线；52b—拐角外侧第二组相交拓扑线中的第二拓扑线；

53a—拐角处与流体流入方向垂直的第一拓扑线；53b—拐角处与流体流入方向垂直的第二拓扑线；53c—拐角处与流体流入方向垂直的第三拓扑线；

54a—拐角处与流体流出方向垂直的第一拓扑线；54b—拐角处与流体流出方向垂直的第二拓扑线；54c—拐角处与流体流出方向垂直的第三拓扑线；

55—固体计算域拓扑块拐角内侧相交拓扑面的拓扑交线；56—固体计算域拓扑块拐角外侧相交拓扑面的拓扑交线；

57a—流体入口处固体计算域拓扑块的第一拓扑边线；57b—流体入口处固体计算域拓扑块的第二拓扑边线；57c—流体入口处固体计算域拓扑块的第三拓扑边线；57d—流体入口处固体计算域拓扑块的第四拓扑边线；

58a—流体出口处固体计算域拓扑块的第一拓扑边线；58b—流体出口处固体计算域拓扑块的第二拓扑边线；58c—流体出口处固体计算域拓扑块的第三拓扑边线；58d—流体出口处固体计算域拓扑块的第四拓扑边线；

59a—流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第一拓扑边线；59b—流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第二拓扑边线；59c—流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第三拓扑边线；59d—流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第四拓扑边线；

61—固体计算域拓扑块在拐角处与流体流入方向垂直的拓扑面；62—固体计算域拓扑块在拐角处与流体流出方向垂直的拓扑面；

63—与流体通道入口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面；64—与流体通道出口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面；

65—与流体通道入口面建立关联的拓扑面；

71—流体通道入口面的壳网格；72—固体几何域外壁面的壳网格；73—流体紧贴壁面的边界层壳网格。

81—固体计算域的体网格；82—流体计算域的体网格；83—流体边界层体网格。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

步骤(1)：基于商业三维软件(如Solidworks)创建带90o拐角流程的微通道单元三维实体几何模型，将三维几何模型以igs或stp格式导入Ansys ICEM软件，在Ansys ICEM软件中生成带有点、线、面特征的几何模型，如图1所示，其中，微通道单元和流体通道的横截面均为矩形，所述横截面与流体流动方向呈垂直关系，固体几何域、流体几何域之间的接触面重合为一个面；基于Ansys ICEM的几何创建功能，在实体几何模型的基础上，基于流体通道入口面的第一边线22a、流体通道入口面的第二边线22b、流体通道入口面的第三边线22c、流体通道入口面的第四边线22d，创建流体通道入口面31，基于流体通道出口面的第一边线23a、流体通道出口面的第二边线23b、流体通道出口面的第三边线23c、流体通道出口面的第四边线23d，创建流体通道出口面32；

步骤(2)：图2所示为某一拐角处的创建点、创建点与参考点的连线示意图，图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面既可以代表拐角处的固体几何域外壁面，也可以代表固体几何域、流体几何域之间的接触面。基于Ansys ICEM的“Geometry→CreatePoint→Project Point to Curve”操作，在“Point”栏选择拐角内侧第一组相交线的交点12a为参考点，在“Curve”栏，分别选择拐角外侧相交的拐角外侧第一组相交线中的第一线28a、拐角外侧第一组相交线中的第二线29a为目标线，分别创建第一创建点13a、第二创建点15a，其中，拐角内侧第一组相交线中的第一线26a、拐角内侧第一组相交线中的第二线27a、拐角外侧第一组相交线中的第一线28a、拐角外侧第一组相交线中的第二线29a在同一平面，拐角内侧第一组相交线的交点12a与第一创建点13a之间的连线、拐角内侧第一组相交线的交点12a与第二创建点15a之间的连线分别与拐角外侧第一组相交线中的第一线28a、拐角外侧第一组相交线中的第二线29a呈垂直关系；类似的，在拐角外侧第二组相交线中的第一线28b、拐角外侧第二组相交线中的第二线29b上分别创建第三创建点13b、第四创建点15b；基于Ansys ICEM的“Geometry→Create/Modify Curve→From Points”操作，在“Point”栏，选择拐角内侧第一组相交线的交点12a与第一创建点13a为参考点，生成第一连线21Oa，类似的，生成拐角内侧第一组相交线的交点12a与第二创建点15a之间的第二连线211a、拐角内侧第二组相交线的交点12b与第三创建点13b之间的第三连线21Ob、拐角内侧第二组相交线的交点12b与第四创建点15b之间的第四连线211b；重复上述步骤，针对固体几何域、流体几何域的所有拐角，建立拐角外侧相交的两条线上的创建点、创建点与参考点的连线；

步骤(3)：基于步骤(2)的创建点与连线，依次建立从流体入口处至流体出口处的固体计算域拓扑块，其中固体计算域拓扑块全部包络步骤(1)的三维几何模型；然后基于步骤(2)的创建点与连线，建立固体计算域拓扑块与步骤(1)的三维几何模型中固体几何域的关联。

步骤(3.1)：基于Ansys ICEM的“Blocking→Create Block→Initialize Blocks”操作，在“Type”栏选择“3D Bounding Box”选项，在“Part”栏输入拓扑块(Block)的名称，在“Entities”栏选择流体入口处固体几何域的第二边线21b为起始位置，如图1所示，沿着流体流动方向，选择第一个拐角处的基于步骤(2)创建的第一连线21Oa为终止位置，如图2所示，以创建一块固体计算域拓扑块，其中，将图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面视为沿流体流动方向第一个拐角处固体几何域的外壁面，流体入口处固体几何域的第二边线21b与第一连线21Oa不在三维几何模型的同一面上；在建立固体计算域拓扑块的同时定义该拓扑块的Part，拓扑块的Part名称在CFD求解器(如Ansys Fluent)的材料设置窗口中显示；

步骤(3.2)：利用Ansys ICEM的“Blocking→Create Block→Extrude Faces”操作，在“Method”栏选择“Extrude Along Curve”选项，在“Select Face(s)”栏，选择基于步骤(3.1)创建的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流入方向垂直的拓扑面61为起始参考面，如图3所示，在“Extrude Curve”栏，选择基于步骤(2)建立的第二连线211a为拓扑块拉伸方向，如图2所示，在“End Point”栏，选择第二连线211a沿流体流动方向的终点即第二创建点15a为拉伸终止点，拉伸新的拓扑块，其中，将图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面视为沿流体流动方向第一个拐角处固体几何域的外壁面，固体计算域拓扑块在拐角处与流体流入方向垂直的拓扑面61的边线包括四条拓扑线(即拐角处与流体流入方向垂直的第一拓扑线53a、拐角处与流体流入方向垂直的第二拓扑线53b、拐角处与流体流入方向垂直的第三拓扑线53c、固体计算域拓扑块拐角内侧相交拓扑面的拓扑交线55)；新拉伸的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流出方向垂直的拓扑面62也包括四条拓扑边线(即拐角处与流体流出方向垂直的第一拓扑线54a、拐角处与流体流出方向垂直的第二拓扑线54b、拐角处与流体流出方向垂直的第三拓扑线54c、固体计算域拓扑块拐角内侧相交拓扑面的拓扑交线55)；在拉伸操作中，不改变“Part”栏的拓扑块名称，因此新拉伸的拓扑块仍属于固体计算域；

步骤(3.3)：基于步骤(3.2)创建的沿流体流动方向第一个拐角处固体计算域拓扑块，选择该拓扑块在拐角处与流体流出方向垂直的拓扑面62为起始参考面，如图3所示，选择拐角内侧第二组相交线中的第二线27b为拉伸方向，如图2所示，选择拐角内侧第二组相交线中的第二线27b沿流体流动方向的终点为拉伸终止点，拉伸第一个拐角处与第二个拐角处之间新的拓扑块，其中，仍不改变“Part”栏的拓扑块名称，将图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面视为沿流体流动方向第一个拐角处固体几何域的外壁面；

步骤(3.4)：依次类推，按照步骤(3.2)～(3.3)，沿着流体流动方向，依次拉伸创建包络步骤(1)的三维几何模型的整个固体计算域拓扑块，所有固体计算域拓扑块如图3所示；

步骤(3.5)：为保证拓扑块与三维几何模型的映射关系，需建立拓扑块与三维几何模型的关联。基于步骤(2)的创建点，建立固体计算域拓扑块的所有拓扑点与固体几何域对应位置的所有点之间的关联，具体做法：基于Ansys ICEM“Blocking→Associate→Associate Vertex→Entity”的操作，在“Entity”栏选择“point”，先在“Vertex”栏选择待关联的拓扑点，再在“Point”栏选择被关联的三维几何模型的点，依次建立固体计算域拓扑块的拓扑点与固体几何域对应位置的点之间的关联，同时实现拓扑点移动至对应的几何模型的点位置，具体的，以图2、图3之间对应关系为例，将图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面视为沿流体流动方向第一个拐角处固体几何域的外壁面，分别建立拐角处第一组的第一拓扑点41a与拐角内侧第一组相交线的交点12a、拐角处第一组的第二拓扑点42a与第一创建点13a、拐角处第一组的第三拓扑点43a与拐角外侧第一组相交线的交点14a、拐角处第一组的第四拓扑点44a与第二创建点15a、拐角处第二组的第一拓扑点41b与拐角内侧第二组相交线的交点12b、拐角处第二组的第二拓扑点42b与第三创建点13b、拐角处第二组的第三拓扑点43b与拐角外侧第二组相交线的交点14b、拐角处第二组的第四拓扑点44b与第四创建点15b之间的对应关联；

结合步骤(2)的创建点与参考点的连线，建立固体计算域拓扑块的所有拓扑线与固体几何域对应位置的所有线之间的关联，具体做法：利用Ansys ICEM“Blocking→Associate→Associate Edge to Curve”的操作，先在“Edge”栏选择待关联的固体计算域拓扑块的拓扑线，再在“Curve”栏选择被关联的三维几何模型的线，依次建立固体计算域拓扑块的所有拓扑线与固体几何域对应位置的所有线之间的关联，具体的，仍以图2、图3之间对应关系为例，将图2的三维几何模型中与流体流动方向平行的外表面视为沿流体流动方向第一个拐角处固体几何域的外壁面，分别建立拐角外侧第一组相交拓扑线中的第一拓扑线51a与拐角外侧第一组相交线中的第一线28a、拐角外侧第一组相交拓扑线中的第二拓扑线52a与拐角外侧第一组相交线中的第二线29a、拐角处与流体流入方向垂直的第一拓扑线53a与第一连线21Oa、拐角处与流体流出方向垂直的第一拓扑线54a与第二连线211a、拐角外侧第二组相交拓扑线中的第一拓扑线51b与拐角外侧第二组相交线中的第一线28b、拐角外侧第二组相交拓扑线中的第二拓扑线52b与拐角外侧第二组相交线中的第二线29b、拐角处与流体流入方向垂直的第二拓扑线53b与第三连线21Ob、拐角处与流体流出方向垂直的第二拓扑线54b与第四连线211b、固体计算域拓扑块拐角内侧相交拓扑面的拓扑交线55与拐角内侧相交面的交线24、固体计算域拓扑块拐角外侧相交拓扑面的拓扑交线56与拐角外侧相交面的交线25之间的对应关联；

具体的，针对流体入口处的拓扑点、拓扑线与三维几何模型中固体几何域对应位置的点、线之间的关联，以图1、图4之间的对应关系为例，分别建立流体入口处固体计算域拓扑块的第一拓扑交点45a与流体入口处固体几何域的第一交点11a、流体入口处固体计算域拓扑块的第二拓扑交点45b与流体入口处固体几何域的第二交点11b、流体入口处固体计算域拓扑块的第三拓扑交点45c与流体入口处固体几何域的第三交点11c、流体入口处固体计算域拓扑块的第四拓扑交点45d与流体入口处固体几何域的第四交点11d之间的关联，之后再建立流体入口处固体计算域拓扑块的第一拓扑边线57a与流体入口处固体几何域的第一边线21a、流体入口处固体计算域拓扑块的第二拓扑边线57b与流体入口处固体几何域的第二边线21b、流体入口处固体计算域拓扑块的第三拓扑边线57c与流体入口处固体几何域的第三边线21c、流体入口处固体计算域拓扑块的第四拓扑边线57d与流体入口处固体几何域的第四边线21d之间的关联，其中，流体入口处截取的固体计算域拓扑块在图4所示；

类似上述具体步骤，建立固体计算域拓扑块的所有拓扑点、拓扑线与三维几何模型中固体几何域对应位置的所有点、线之间的关联；针对拓扑面与几何面的关联，AnsysICEM默认拓扑面与相邻最近的三维几何模型的面自动建立关联，因此不需要额外操作。

步骤(4)：切分步骤(3)中固体计算域拓扑块为固体计算域O形拓扑块，将固体计算域O形拓扑块的所有中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，结合步骤(2)的创建点与连线，建立流体计算域拓扑块与三维几何模型中流体几何域的关联，再切分流体计算域拓扑块为流体计算域O形拓扑块。

步骤(4.1)：如图4所示，利用Ansys ICEM的“Blocking→Split Block→OgridBlock”的操作，在“Select Block(s)”栏选择基于步骤(3)建立的所有固体计算域拓扑块，在“Select Face(s)”栏，依次选择与流体通道入口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面63、与流体通道出口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面64为参考面，将固体计算域拓扑块切分成固体计算域O形拓扑块，其中，与流体通道入口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面63包括四条拓扑边线(流体入口处固体计算域拓扑块的第一拓扑边线57a、流体入口处固体计算域拓扑块的第二拓扑边线57b、流体入口处固体计算域拓扑块的第三拓扑边线57c、流体入口处固体计算域拓扑块的第四拓扑边线57d)，与流体通道出口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的拓扑面64也包括四条拓扑边线(流体出口处固体计算域拓扑块的第一拓扑边线58a、流体出口处固体计算域拓扑块的第二拓扑边线58b、流体出口处固体计算域拓扑块的第三拓扑线58c、流体出口处固体计算域拓扑块的第四拓扑边线58d)；图5所示为流体入口处截取的固体计算域O形拓扑块结构图，图6为拐角处截取的固体计算域O形拓扑块结构图；

步骤(4.2)：在Ansys ICEM模型树窗口依次操作“Part→Create Part→BlockingMaterial,Create Part with Blocks”，在“Blocks”栏，选择基于步骤(4.1)生成的固体计算域O形拓扑块的中心处所有拓扑块，在“Part”栏输入流体计算域Part名称，点击“Apply”按钮定义流体计算域拓扑块，实现流体计算域拓扑块与固体计算域拓扑块的分割，同时定义流体计算域拓扑块的Part，该Part名称将在CFD求解器的材料设置窗口中显示，具体的，以图5、图6为例，将中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，O形最外层拓扑块仍为固体计算域拓扑块，固体计算域拓扑块的Part名称不变；基于步骤(2)的创建点和连线，类似步骤(3.5)，建立流体计算域拓扑块的拓扑点、拓扑线与流体几何域对应位置的点、线之间的关联，具体的，以图1的线、图5的拓扑线之间对应关系为例，分别建立流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第一拓扑边线59a与流体通道入口面的第一边线22a、流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第二拓扑边线59b与流体通道入口面的第二边线22b、流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第三拓扑边线59c与流体通道入口面的第三边线22c、流体计算域拓扑块的入口拓扑面的第四拓扑边线59d与流体通道入口面的第四边线22d之间的关联；建立拐角处流体计算域拓扑块的拓扑点、拓扑线与流体几何域对应位置的点、线之间关联的操作类似步骤(3.5)。

步骤(4.3)：利用Ansys ICEM的“Blocking→Split Block→Ogrid Block”的操作，在“Select Block(s)”栏，选择基于步骤(4.2)定义的所有流体计算域拓扑块，在“SelectFace(s)”栏，依次选择与流体通道入口面、流体通道出口面建立关联的流体计算域拓扑块的两个拓扑面为参考面，再切分流体计算域O形拓扑块，用于生成流体计算域的壁面边界层网格，由于流体与壁面紧贴处存在层流底层，因此需划分边界层网格；图7为流体入口处截取的固体计算域O形拓扑块、流体计算域O形拓扑块的结构图，图8为拐角处截取的固体计算域O形拓扑块、流体计算域O形拓扑块的结构图。

步骤(5)：基于步骤(3)、步骤(4)生成的固体计算域拓扑块与流体计算域拓扑块，设置所有拓扑线的节点参数，以定义网格尺寸与节点数，其中，对于拐角处和拐角附近的网格进行加密，在流体计算域O形拓扑块的最外层，定义边界层网格的层数和每层长度，最后再生成固体计算域、流体计算域耦合的六面体网格；图9为流体入口处截取的网格示意图，图10为拐角处截取的流固耦合六面体网格示意图。

Claims (3)

1.一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)：建立基于横截面为矩形且流程上带90°拐角的微通道单元的三维几何模型，其中，微通道单元中流体通道的横截面也为矩形，所述横截面与流体流动方向呈垂直关系，所述三维几何模型中固体几何域、流体几何域之间的接触面重合为一个面；

步骤(2)：针对步骤(1)的所述三维几何模型中固体几何域、流体几何域的所有拐角，以拐角内侧相交的两条线的交点为参考点，在拐角外侧相交的两条线上各建立一个对应创建点，其中，所述拐角内侧相交的两条线与所述拐角外侧相交的两条线位于同一平面，所述参考点与对应创建点之间的连线与对应创建点所在的线垂直；再分别建立所述参考点与对应创建点之间的连线；

步骤(3)：基于步骤(2)的创建点与连线，依次建立从流体入口处至流体出口处的固体计算域拓扑块，其中固体计算域拓扑块全部包络步骤(1)的三维几何模型；然后基于步骤(2)的创建点与连线，建立固体计算域拓扑块与步骤(1)的三维几何模型中固体几何域的关联；

步骤(4)：切分步骤(3)中固体计算域拓扑块为固体计算域O形拓扑块，将固体计算域O形拓扑块的所有中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，结合步骤(2)的创建点与连线，建立流体计算域拓扑块与三维几何模型中流体几何域的关联，再切分流体计算域拓扑块为流体计算域O形拓扑块；

步骤(5)：基于步骤(3)～步骤(4)生成的固体计算域拓扑块与流体计算域拓扑块，设置所有拓扑线的节点参数，再生成固体计算域、流体计算域耦合的结构化六面体网格。

2.如权利要求1所述的一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤(3)包括：

步骤(3.1)：以步骤(1)的三维几何模型中流体通道入口面所在平面的任意线为起始线位置，沿着流体流动方向，以第一个拐角处基于步骤(2)建立的连线为终止线位置，建立固体计算域拓扑块，其中起始线和终止线不在三维几何模型的同一面上，终止线位于固体几何域的外壁面且与拐角处流体流入方向垂直；

步骤(3.2)：以步骤(3.1)创建的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流入方向垂直的拓扑面为起始参考面，沿着流体流动方向，以步骤(2)中创建的连线为拉伸方向，并以该连线沿流体流动方向的终点为拉伸终止点，拉伸形成第一个拐角处的固体计算域拓扑块，其中拉伸方向的连线位于固体几何域的外壁面且与拐角处流体流入方向平行；

步骤(3.3)：以步骤(3.2)创建的第一个拐角处的固体计算域拓扑块在拐角处与流体流出方向垂直的拓扑面为起始参考面，沿着流体流动方向，以第一个拐角与第二个拐角之间任意的固体几何域拐角内侧的线为拉伸方向，并以该线上沿流体流动方向的终点为拉伸终止点，拉伸形成第一个拐角处与第二个拐角处之间的固体计算域拓扑块，其中，拉伸方向的线位于固体几何域的外壁面；

步骤(3.4)：依次类推，按照步骤(3.2)～步骤(3.3)的方法，沿着流体流动方向，依次拉伸创建包络步骤(1)中三维几何模型的所有固体计算域拓扑块；

步骤(3.5)：结合步骤(2)的创建点和连线，建立固体计算域拓扑块的所有拓扑点、拓扑线、拓扑面与步骤(1)的三维几何模型中固体几何域对应位置的点、线、面之间的关联。

3.如权利要求1所述的一种微通道单元CFD流固耦合结构化六面体网格划分方法，其特征在于，所述步骤(4)包括：

步骤(4.1)：选择基于步骤(3)中的所有固体计算域拓扑块，以与流体通道入口面所在平面、流体通道出口面所在平面建立关联的固体计算域拓扑块的两个拓扑面为参考面，将固体计算域拓扑块切分成固体计算域O形拓扑块；

步骤(4.2)；将步骤(4.1)中固体计算域O形拓扑块的所有中心处拓扑块定义为流体计算域拓扑块，基于步骤(2)的创建点和连线，建立流体计算域拓扑块的所有拓扑点、拓扑线、拓扑面与步骤(1)的三维几何模型中流体几何域对应位置的点、线、面之间的关联；

步骤(4.3)：选择基于步骤(4.2)中的流体计算域拓扑块，以与流体通道入口面、流体通道出口面建立关联的流体计算域拓扑块的两个拓扑面为参考面，将流体计算域拓扑块切分成流体计算域O形拓扑块。

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