Новый метод “Overset Mesh” в ANSYS FLUENT.

Начиная с ANSYS 17.0 модуль FLUENT дает возможность строить расчетную область из перекрывающихся сеток, т.е. применять химерную или перекрывающуюся методологию. Это дает новый подход в создании расчетных сеток, в виде дополнения к использованию конформно-соединенных сеточных зон, неконформных интерфейсов и структурированных сеточных интерфейсов. Нововведение позволяет создавать сеточные модели для сложных задач с минимальными затратами по времени и усилиям инженеров- расчетчиков.

В то время как неконформные интерфейсы соединяют сеточные ячейки вдоль соответствующих поверхностных зон, перекрывающиеся интерфейсы соединяют сеточные ячейки путем интерполяции данных в ячейках на перекрывающие регионы. Для успешного построения сетки в области перекрытия, зоны ячеек должны в достаточной степени (полностью) перекрываться. Преимущество таких сеток в том, что их отдельные части могут быть созданы независимо и с меньшим количеством ограничений, в отличие от традиционных сеток, соединяемых с помощью поверхностных интерфейсов. Гораздо проще сеточную зону перемещать, чем перестраивать ее или всю сеточную модель.

Рис.1 Перекрывающий компонент и основная сеточная модель

На рис. 1 показана упрощенная сеточная модель для расчета течения вокруг цилиндра в трубе. Сетка состоит из двух частей: основной (background), представляющая пространство внутри трубы и отдельный сеточный компонент (component) вокруг цилиндра. Задача настраивается во Fluent с помощью определения внешней границы сеточной модели вокруг цилиндра, как оverset (тип границы), и создания перекрывающегося интерфейса, который содержит две сеточные зоны. После этих двух шагов Fluent автоматически создаст необходимые взаимосвязи между сетками при инициализации течения. В этом процессе ячейки, которые выходят за пределы расчетного домена, классифицируются, как “мертвые” (dead) ячейки. Ячейки, в которых решаются уравнения течения, относятся к расчетным (solve) ячейкам. Рецепторные (receptor) ячейки принимают интерполированные данные от другой сетки. Донорские (donor) ячейки – это ячейки, откуда рецепторы получают свои данные – это подмножество solve-ячеек.

Рис.2a “Recept”, “solve” и “donor” ячейки на “background” сетке

Рис.2б “Recept”, “solve” и “donor” ячейки на “component” сетке

Рис.3 Расчетные (solve) ячейки после инициализации

Инициализация “overset” интерфейса сетки включает в себя три основных этапа: вырез зон, уменьшения перекрывания, поиск донора. Вырез отверстий (hole cutting) предполагает, что ячейки, лежащие вне области течения (то есть, внутри твердого тела и вне расчетной области) отмечаются, как “dead” ячейки. Уменьшение перекрытия (overlap minimization) минимизирует активное сеточное перекрытие. Поиск донора (donor search) представляет собой нахождение донорских расчетных ячеек для каждого рецептора.

Не существует ограничения по количеству сеточных зон, которые могут быть соединены на “overset” интерфейсе. Fluent классифицирует зоны ячеек на overset- интерфейсе, как background или component. Background-зоны – это сеточные зоны, содержащие «фоновую» сетку расчетной области. Background-зоны должны быть соединены конформно и не могут иметь между собой перекрывающихся (overset) границ. Сomponent-зоны накладываются на Background-зоны, при этом границы типа overset могут быть как между сетками зон компонентов, так и между зоной компонента и зоной фона.

Рис.4 Overset-границы между одной background (фоновой) сеткой и несколькими сomponent (компонентными) сетками

Все типы ячеек, поддерживаемые во Fluent, также можно применять с перекрывающимися сеткам, включая полиэдрические ячейки в 3D. Различные соединенные зоны на overset-интерфейсе могут иметь разные типы ячеек или их сочетания.

Метод “Overset meshing” во Fluent совместим с сеточной адаптацией. Сеточные зоны перекрывающегося интерфейса могут быть локально адаптированы путем использования всех доступных инструментов адаптации.

Перекрывающиеся сетки можно использовать для стационарных или нестационарных расчетов на неподвижных сетках.

Рассматриваемый подход имеет на данный момент следующие ограничения:

- перекрывающиеся интерфейсы не могут содержать твердотельные расчетные зоны

- сетки для component-зон не могут быть соединены неконформным интерфейсом

- сетки для background-зон не могут иметь неконформный интерфейс между собой, если они имеют один и тот же overset-интерфейс

- сomponent-зоны не могут иметь периодические граничные условия

- background-зоны не могут иметь перекрывающихся (overset) границ

- границы сетки сomponent-зоны не могут перекрываться с сопряженными стенками

- метод “Overset meshing” не сочетается с динамическим перестроением сетки или послойным перестроением

Топология перекрывающейся сетки

Задача может иметь несколько “overset” интерфейсов
- Но, ячейки могут принадлежать только одному интерфейсу
- Лучше определить множество интерфейсов, чем один большой. Это может улучшить эффективность, если позволяет топология
Помните, что неконформные интерфейсы не поддерживаются
- Исключением является соединение основной сетки (background) с зоной ячеек, которые не включены в перекрывающийся интерфейс

Рис. 5 Множество сеточных зон (background и component)

Порядок настройки данного метода во Fluent имеет следующие этапы:

Импортировать все связанные сеточные модели в Fluent
Установить граничное условие перекрывания (overset)
Создать интерфейс
- Выбрать сетки для background и component
Определить приоритет сеток, если необходимо
- define/overset-interfaces/grid-priorities
Инициализировать overset-интерфейс
- Или использовать текстовую команду для пересечения интерфейса без инициализации поля течения (сначала активируются экспертные опции) define/overset-interfaces/intersect
“Overset” интерфейс будет автоматически создаваться в процессе инициализации, если определено граничное условие overset, а не интерфейс.