ES2341065B1 - Metodos y sistemas para mejorar mallas usadas en dinamica de fluidos computacional. - Google Patents
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Abstract
Métodos y sistemas para mejorar mallas usadas en
dinámica de fluidos computacional según los cuales en una malla
estructurada multibloque 2D o 3D de un objeto que se mueve a través
de un medio fluido que se usa en el diseño de dicho objeto en
conexión con un esquema analítico definido, habiéndose generado la
malla con bloques rectangulares (2D) ó hexaédricos (3D) bajo
restricciones que causan que la malla incluya bloques irregulares
(31) que no cumplen requerimientos de calidad, se siguen los
siguientes pasos: encontrar los bloques irregulares (31); degenerar
dichos bloques irregulares (31) fusionando bordes o lados contiguos
(33, 35) de manera que se formen bloques triangulares (2D) o
pentaédricos (3D) (41) y extender las modificaciones a lo largo de
todos los bloques propagados; generar un número N de bloques
regulares rectangulares (2D) o hexaédricos (3D) (43, 45, 47) dentro
de dichos bloques triangulares (2D) o pentaédricos (3D) (41).
Description
Métodos y sistemas para mejorar mallas usadas en
dinámica de fluidos computacional.
La presente invención se refiere a métodos y
sistemas para mejorar mallas usadas en Dinámica de Fluidos
Computacional y más en particular para mejorar mallas estructuradas
multibloque usadas en el diseño de aeronaves.
Actualmente la Dinámica de Fluidos Computacional
(CFD) se usa ampliamente en la industria aeronáutica. De cara a
reducir las inversiones en Ensayos en Túneles de Viento se usa
crecientemente la simulación en las actividades de diseño.
CFD discretiza el dominio físico en pequeñas
celdas en las que se calculan las ecuaciones de
Navier-Stokes o simplificaciones de las mismas como
por ejemplo las ecuaciones promediadas de Reynolds de
Navier-Stokes. Ello implica la necesidad de una
buena malla para llevar a cabo un buen cálculo. La calidad de la
malla se define habitualmente por la deformación de las celdas o la
relación de crecimiento entre celdas. Así mismo, los residuos
calculados en las ecuaciones proporcionan una buena idea de la
calidad del cálculo.
Las mallas que se usan principalmente en CFD son
de tres tipos: totalmente estructuradas, totalmente desestructuradas
ó híbridas, que son mezclas de los otros dos tipos de mallas.
Las mallas estructuradas son mallas en las que
la conectividad es regular y viene fijada por la topología: cada
vértice interior es incidente sobre un número fijo de celdas y cada
celda está delimitada por un número fijo de lados y bordes. Todos
los nodos de una malla estructurada pueden ser localizados usando
índices (l, j, k), por lo que su conectividad es explícita.
Las mallas desestructuradas tienen una
conectividad totalmente arbitraria: un vértice de la malla puede
pertenecer a cualquier número de celdas y cada celda puede tener
cualquier número de bordes o lados. Los datos de la topología deben
estar permanentemente almacenados para conocer exactamente los
vecinos de cada nodo. El coste de la memoria involucrada por el uso
de una malla desestructurada puede por tanto llegar a ser gravoso
muy rápidamente.
Para geometrías complejas, las mallas
estructuradas están divididas en varios bloques creando mallas
estructuradas multibloque en las que la geometría en cuestión está
formada por varios bloques estructurados, que comprenden mallas
ordenadas estructuralmente dentro de ellos.
La ubicación y distribución de bloques en el
dominio físico, es decir la topología de la malla, juega un papel
significativo para alcanzar una buena descripción de la geometría.
La conexión entre bloques también es importante debido a la
propagación de nodos, ya que las caras de los bloques propagan los
números de nodos entre dos bloques en contacto.
Es habitual aplicar varias restricciones a las
definiciones de las topologías de mallas, tales como las
siguientes:
- La necesidad de que la topología marque los
límites de las superficies.
- La necesidad de que la topología tenga en
cuenta las discontinuidades geométricas de las superficies.
- La necesidad de una topología "C"
alrededor de las superficies como consecuencia de un comportamiento
de capa límite (BL), que aparece en ecuaciones CFD y en otras
ecuaciones. En referencia a un perfil aerodinámico, una topología
"C" se define como una topología que rodea el perfil en la que
los refinamientos de la malla no se propagan en el sentido contrario
a la corriente sino solo en el sentido a favor de la corriente.
Cuando se crea una topología de una malla sujeta
a una o más restricciones, la malla puede incluir bloques que no
cumplen algún requerimiento de calidad. Un requerimiento típico de
calidad es que los bloques sean lo más próximos posible a cuadrados
perfectos (2D) o cubos (3D).
En la técnica anterior, se utilizan dos opciones
básicas para manejar este tipo de mallas:
- Suavizar las restricciones que causan los
problemas de calidad.
- Trabajar con la malla y evaluar cuidadosamente
los resultados obtenidos.
Estas opciones no son completamente
satisfactorias y la presente invención está orientada a solucionar
este inconveniente.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar métodos y sistemas para mejorar la calidad de mallas
estructuradas multibloque usadas en el diseño de objetos que se
mueven a través de un medio fluido cuando la topología de la malla
está sujeta a restricciones.
Es otro objeto de la presente invención
proporcionar métodos y sistemas para mejorar la calidad de mallas
estructuradas multibloque usadas en el diseño de aeronaves.
En un aspecto, estos y otros objetos se
consiguen proporcionando un método para mejorar una malla
estructurada multibloque 2D o 3D de un objeto que se mueve a través
de un medio fluido, tal como una aeronave, que se usa en el diseño
de dicho objeto en conexión con un esquema analítico definido,
habiéndose generado la malla con bloques rectangulares (2D) ó
hexaédricos (3D) bajo restricciones que causan que la malla incluya
bloques irregulares que no cumplen requerimientos de calidad, que
comprende los siguientes pasos:
- definir como bloques irregulares aquellos
bloques que tienen al menos un par de lados contiguos (2D) o caras
contiguas (3D) formando un ángulo A en el rango de 120º a 180º y
definir como bloques regulares aquellos bloques que no tienen ningún
par de lados contiguos (2D) o caras contiguas (3D) formando un
ángulo A en el rango de 120º a 180º;
- encontrar los bloques irregulares en la
malla;
- degenerar dichos bloques irregulares
fusionando bordes o lados contiguos de manera que se formen bloques
triangulares (2D) o pentaédricos (3D) y extender las modificaciones
a lo largo de todos los bloques propagados;
- generar un número N de bloques regulares
rectangulares (2D) o hexaédricos (3D) dentro de dichos bloques
triangulares (2D) o pentaédricos (3D).
En otro aspecto, los objetos mencionados más
arriba se consiguen proporcionando un sistema para mejorar una malla
estructurada multibloque 2D o 3D de un objeto que se mueve a través
de un medio fluido, tal como una aeronave, que se usa en el diseño
de dicho objeto en conexión con un esquema analítico definido, que
comprende un modelo CFD 2D o 3D implementado en ordenador que
incluye un módulo para generar una malla con bloques rectangulares
(2D) ó hexaédricos (3D) bajo restricciones que causan que la malla
incluya bloques irregulares que tienen al menos un par de lados
contiguos (2D) o caras contiguas (3D) formando un ángulo A en el
rango de 120º a 180º y que también comprende un módulo para
degenerar dichos bloques irregulares fusionando bordes o lados
contiguos en un solo borde o lado de manera que se formen bloques
triangulares (2D) o pentaédricos (3D), para extender las
modificaciones a lo largo de todos los bloques propagados y para
generar varios bloques rectangulares (2D) o hexaédricos (3D)
regulares que no tienen ningún par de lados contiguos (2D) o caras
contiguas (3D) formando un ángulo A en el rango de 120º a 180º
dentro de dichos bloques irregulares.
Otras características y ventajas de la presente
invención se harán evidentes de la siguiente descripción detallada
de las realizaciones, ilustrativas de su objeto, junto con las
figuras adjuntas.
La Figura 1 muestra una topología de una
aeronave generada aplicando alguna restricción.
La Figura 2 es una vista ampliada de una zona de
la Figura 1 con un bloque irregular.
La Figura 3 muestra esquemáticamente como
degenerar un bloque irregular de acuerdo con un paso del método de
esta invención.
La Figura 4 muestra el resultado de degenerar un
bloque irregular.
La Figura 5 muestra la topología de la malla
después de propagar el bloque irregular a todos los bloques
relacionados topológicamente.
La Figura 6 muestra esquemáticamente la
generación de bloques rectangulares dentro de un bloque triangular
de acuerdo con un paso del método de esta invención.
La Figura 7 muestra el resultado de integrar los
bloques extra en la topología global de acuerdo con un paso del
método de esta invención.
La Figura 8 muestra la topología final de la
malla mejorada.
Las Figuras 9 y 10 muestran respectivamente
vistas detalladas de la malla de partida y de la malla mejorada
generada de acuerdo con el método de esta invención.
Seguidamente describiremos una realización de un
método para mejorar una malla estructurada multibloque de una
aeronave de acuerdo con la presente invención.
La Figura 1 muestra esquemáticamente la
topología de la malla del fuselaje 11, la carena 11 y el ala 15 de
una aeronave que ha sido creada teniendo en cuenta varias
restricciones:
- La topología "C" necesaria en el ala
15.
- Las marcas 23 de la geometría de la carena
13.
- Una discontinuidad en la interfase entre la
carena 13 y el fuselaje 11.
Como resultado de esas restricciones, la malla
incluye bloques tales como el bloque 31 (ver Figuras 1 y 2) que no
cumplen requerimientos de calidad.
Los requerimientos típicos de calidad de este
tipo de mallas se refieren al hecho de que los bloques deben ser lo
más próximos posible a cubos o cuadrados perfectos. Hay varias
fórmulas matemáticas para expresar dichos criterios estableciendo,
por ejemplo, que ningún ángulo entre planos debe ser menor de
20º-30º, o que el ángulo formado por cualesquiera diagonales de los
cubos (o los cuadrados) no sea menor de 20º-30º, o que el
determinante de la transformación sea mayor de 0.2.
En esta invención se considera que el
requerimiento de calidad de un bloque es que no debe tener ningún
par de lados (2D) o caras (3D) contiguos formando un ángulo A en el
rango de 120º a 180º. Los bloques que cumplen con este requerimiento
se llaman bloques regulares y los que no lo hacen se llaman bloques
irregulares.
En otra realización preferente el ángulo A está
en el rango 150º-180º.
Partiendo de una topología de malla como la
mostrada en la Figura 1 que incluye un bloque irregular 31, el
método según la invención comprende los siguientes pasos.
Una vez que se encuentra un bloque irregular 31,
se degenera en un bloque triangular (2D) o pentaédrico (dependiendo
de la deformación poliédrica) (3D) 41 fusionando los bordes o lados
33, 35 en un borde o lado 37 (ver Figuras 3 y 4) y extendiendo las
modificaciones a lo largo de los bloques propagados (ver Figura
5).
A continuación, se generan los bloques extra
regulares 43, 45, 47 dentro del bloque 41. En una realización
preferente se usa la bien conocida técnica
"O-grid". La Figura 6 muestra como crear tres
rectángulos dentro de un triángulo para finalmente obtener tres
bloques hexaédricos. La Figura 7 muestra el resultado de integrar
los nuevos bloques 43, 45, 47 en la topología global y la Figura 8
muestra la topología final.
Comparando la malla de partida (Fig. 9) con la
malla mejorada según el método de la presente invención (Fig. 10) se
puede apreciar fácilmente la mejor calidad de la última.
Un sistema para mejorar una malla estructurada
multibloque de una aeronave ejecutando el método descrito más arriba
comprende un modelo CFD 2D o 3D implementado en ordenador que
incluye un primer módulo para generar una malla con bloques
rectangulares (2D) ó hexaédricos (3D) bajo restricciones que causan
que la malla incluya bloques irregulares y un segundo módulo para
mejorar dicha malla. Este modelo puede ser implementado usando el
programa de ordenador comercial ANSYS ICEM CFD.
Usando el primer módulo, se genera la malla,
definiendo una topología de bloques alrededor de la geometría
necesaria, marcando la geometría de la aeronave (limites de los
componentes, discontinuidades, etc.) y usando la técnica de la
topología "C" para tener en consideración el comportamiento de
Capa Límite necesario para una buena descripción CFD.
El segundo módulo es un módulo que permite
mejorar dicha malla llevando a cabo los pasos mencionados más
arriba: encontrar los bloques irregulares 31; degenerar dichos
bloques irregulares 31 en bloques triangulares (2D) o pentaédricos
(3D) 41 y generar varios bloques rectangulares (2D) o hexaédricos
(3D) regulares 43, 45, 47 dentro de dichos bloques triangulares (2D)
o pentaédricos (3D) 41. Este módulo usa técnicas ICEM Hexa tales
como puntos de control y mejora de agrupamientos.
El resultado final (ficheros con los nodos de
los bloques de la malla) puede ser usada como entrada para otros
programas para mejoras adicionales y/o para su conversión a los
formatos necesarios para otros programas de ordenador CFD tales como
el programa elsA para obtener la solución final de flujo
necesaria.
Se pueden introducir en la realización preferida
que hemos descrito aquellas modificaciones que estén comprendidas en
el ámbito de las reivindicaciones siguientes.
Claims (8)
1. Un método para mejorar una malla estructurada
multibloque 2D o 3D de un objeto que se mueve a través de un medio
fluido que se usa en el diseño de dicho objeto en conexión con un
esquema analítico definido, habiéndose generado la malla con bloques
rectangulares (2D) ó hexaédricos (3D) bajo restricciones que causan
que la malla incluya bloques irregulares (31) que no cumplen
requerimientos de calidad, caracterizado porque comprende los
siguientes pasos:
- definir como bloques irregulares (31) aquellos
bloques que tienen al menos un par de lados contiguos (2D) o caras
contiguas (3D) formando un ángulo A en el rango de 120º a 180º y
definir como bloques regulares aquellos bloques que no tienen ningún
par de lados contiguos (2D) o caras contiguas (3D) formando un
ángulo A en el rango de 120º a 180º;
- encontrar los bloques irregulares (31) en la
malla;
- degenerar dichos bloques irregulares (31)
fusionando bordes o lados contiguos (33, 35) de manera que se formen
bloques triangulares (2D) o pentaédricos (3D) (41) y extender las
modificaciones a lo largo de todos los bloques propagados;
- generar un número N de bloques regulares
rectangulares (2D) o hexaédricos (3D) (43, 45, 47) dentro de dichos
bloques triangulares (2D) o pentaédricos (3D) (41).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Un método según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichas restricciones son una o más de
las siguientes:
- el esquema analítico incluye el comportamiento
de capa límite,
- la geometría del objeto incluye
discontinuidades,
- la topología de la malla debe marcar los
limites de las superficies del objeto.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque
dicho ángulo A está en el rango de 150º a 180º.
4. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-3, caracterizado porque
dicho numero N es tres.
5. Un método según la reivindicación 41,
caracterizado porque los tres bloques regulares cuadrados
(2D) o hexaédricos (3D) (43, 45, 47) generados dentro de dichos
bloques triangulares o tetraédricos (41) se crean siguiendo la
técnica "O-grid".
6. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1-5, caracterizado porque
dicho objeto es una aeronave.
7. Un sistema para mejorar una malla
estructurada multibloque 2D o 3D de un objeto que se mueve a través
de un medio fluido que se usa en el diseño de dicho objeto en
conexión con un esquema analítico definido, que comprende un modelo
CFD 2D o 3D implementado en ordenador que incluye un módulo para
generar una malla con bloques rectangulares (2D) ó hexaédricos (3D)
bajo restricciones que causan que la malla incluya bloques
irregulares (31) que tienen al menos un par de lados contiguos (2D)
o caras contiguas (3D) formando un ángulo A en el rango de 120º a
180º, caracterizado porque dicho modelo también comprende un
módulo para degenerar dichos bloques irregulares (31) fusionando
bordes o lados contiguos (33, 35) en un solo borde o lado (37) de
manera que se formen bloques triangulares (2D) o pentaédricos (3D)
(41), para extender las modificaciones a lo largo de todos los
bloques propagados y para generar varios bloques rectangulares (2D)
o hexaédricos (3D) regulares (43, 45, 47), que no tienen ningún par
de lados contiguos (2D) o caras contiguas (3D) formando un ángulo A
en el rango de 120º a 180º, dentro de dichos bloques irregulares
(41).
8. Un sistema según la reivindicación 7,
caracterizado porque dicho objeto es una aeronave.
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