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案例教学 | 流体仿真中SCDM软件的基本工作流程
2019-02-26 16:11:22· 来源：仿真秀 作者：张杨，仿真秀专栏作者，高级流体工程师
● 合并表面
实体的表面上会有很多特征边，如果这些边之间的夹角很尖锐，那么往往会降低网格的质量，合并表面可以去除掉这些尖锐的特征；当然，也有改变面形状的风险，这些可以通过测量功能进行定性的判断。
● 移动、对齐、组合等
其他的工具也有使用的时机，这和几何调整的需求是分不开的，限于篇幅暂不展开介绍。
简化几何，最为重要的就是目的明确，我们必须要先清楚几何改变以后的样子，这样才能选择合适的工具，高效的达成目标。
简化模型的时机：
简化模型通常对固体操作，但需要十分清楚哪些固体区域是需要化简的（如不与流体区域接触的位置，实际上是不需要简化的），否则工作量会大幅增加，且很多操作无效。
也可先提取流体区域，再对流体区域（实体几何模型）进行简化，这种情况通常用于仿真中只包含流体的问题（不算结构换热）。
需要注意的事，以上的情况只是针对单一使用流体仿真计算（Fluent或CFX）的问题。多物理场耦合的问题，反而不需要流体与结构几何完全一致，因为场间的数据耦合是采用插值的方式处理的。
（三）流体区域
通常我们按照上面的两步操作，可以得到简化后的实体模型（大多为固体区域）。接下来我们需要通过固体区域来获取流体区域，这样才能完成流体仿真工作。
流体区域的获取，本质上就是实体间的布尔运算操作， 一个大的的空间减掉固体的区域，剩下的就是流体的区域。
当然，单纯的使用布尔运算进行流体区域的获取可能也没那么容易。受限于形状等因素，内流场的获取通常要在布尔运算结束以后进行一些切割；外流场的区域获取可能工作效率较低。
SCDM为了解决这些CFD仿真相关的问题，提供了流体区域获取的简便方法，分别的是外壳工具和体积抽取工具，对应的功能是外流场以及内流场。
1. 外流场
在外流场获取的过程中，我们需要注意以下几个方面的问题。
● 外流场的形状
常见的外流场形状有以下几种：
★ 长方体
★ 圆柱
★ 球
★ 其他自定义的形状
原则上，外流场只要选取的足够大，其形状是不会影响求解结果的。
● 对称面（壁面）的选取
当仿真的区域存在对称面的时候，外流场也应该保持对称面的特性（即只能在对称面的一侧存在流体计算区域）。
同对称面，如当仿真区域中存在壁面时，也应该对外流场区域产生影响（即此部分的形状应该是确定的）。
● 外流场的特征方向
当几何的轴线（或特征方向）不与坐标系一致时，SCDM中的外壳功能可以快速调整，使外流场与几何（而不是坐标）对齐。
● 外流场的独立性
外流场生成后，会单独的出现在SCDM的结构树列表中，是一个单独的实体，并且不会与内部的固体区域有任何的干涉和缝隙。
该实体默认是半透明的显示状态，方便用户观察；且该实体是独立的实体，可以后续的进行任何关于实体的操作（如拉动、移动、填充、组合等）。
● 外流场自动更新
为了能够实现工作效率的提升，SCDM还提供了外流场自动更新的功能，用户可以在更改了固体区域之后迅速的更新外流场，同时保持其他的外流场参数（如形状、方向、尺寸大小等）不变
2. 内流场
SCDM中的内流场，并没有采用通常意义中布尔运算的方式进行获取，而是采用了湿壁面扩展再封闭几何的方法。
详细的操作方法按照以下的步骤进行：
1.选取固体区域的进出口
2.选取某一个湿壁面（与流体接触）
3.预览内表面
4.生成流体区域
● 内流场的独立性
内流场生成后，会单独的出现在SCDM的结构树列表中，是一个单独的实体，并且不会与外部的固体区域有任何的干涉和缝隙。
在生成内流场后，外部的固体区域将默认转换成为半透明的显示状态，方便用户观察；和外流场一样，生成的内流场是独立的实体，可以后续的进行任何关于实体的操作（如拉动、移动、填充、组合等）。
● 内流场自动更新
为了能够实现工作效率的提升，SCDM还提供了外流场自动更新的功能，用户可以在更改了固体区域之后迅速的更新外流场，同时保持其他的内流场参数（如进出口、湿壁面等）不变。
SCDM中提供的内流场获取功能是非常强大的，可以快速高效准确的获取内部流场区域，同时也可以查找固体管道区域的漏水点等问题；当然，对于不同的几何，在获取内流场的过程中会出现不一样的问题（主要就是会导致内流场生成失败），因此对比外流场的获取还是有一些额外难度的。这些需要各位工程师在实践中不断的探索和研究，限于篇幅的问题，本文暂不对内流场获取中发生的问题做相关的扩展介绍。
（四）仿真完善
获取流体区域之后，我们通常还需要做一些额外的操作；当然这些操作的目的各不一致，因此难以统一到一个单独的类别之中，我们就简单的称之为仿真完善。
当我们的仿真仅仅涉及到单体的流体分析（不含多孔介质，不含源项等）时，仿真完善的步骤通常可以跳过（最多包含命名）。
当需要考虑多个实体的流体区域，或者流固耦合换热的问题时，就还需要进行多个步骤的仿真完善相关工作。
仿真完善大致需要处理一下几个步骤：
● 几何命名
● 几何参数化
● 多体分割
● 体间缝隙/干涉
● 共享拓扑
1. 几何命名
CFD仿真中的边界（boundary）和体域（cell zone）通常是在前处理阶段就确认好的，确认位置的方式是通过命名来实现的；对于三维的仿真问题，体域（cell zone）是对实体进行命名，边界（boundary）是对实体上的面进行命名。
当然，我们也可以考虑在画网格的软件中进行几何命名，也是可以达到同样的目的。
在SCDM中进行命名有以下的优势和缺点：
优势：具备有强大的选择功能，可以快速高效选取希望命名的实体/面，提高工作效率。
缺点：命名不是从几何（而是网格）直接传递给求解器的，因此中间可能会有一定的误差。
需要注意的是：对于初学者，假如使用Workbench Meshing进行网格划分，那么命名在两个软件中通常都可以顺利完成；对于使用Fluent Meshing划分网格的中高级流体工程师而言，建议用SCDM命名，可以极大的提高工作效率。
SCDM进行命名的方法非常简单，只要鼠标在选择状态下，在图形界面中（或结构树中）选取了一个或多个对象（包括点/线/面/实体等），就可以在创建组的标签栏中进行命名。
CFD仿真的命名没有任何的格式要求，工程师自己可以识别即可；当然，建议使用纯英文字符进行命名，否则到求解器中可能会产生乱码。
2. 几何参数化
SCDM软件是支持参数化建模的，可以针对任意导入的CAD几何进行参数化设置；同时SCDM中的参数化设置可以集成在Workbench中，作为整个的CFD工作流程的输入参数。
当然，对于几何参数化的相关功能，我本人是并不推荐大家使用的，原因如下：
① CAE仿真参数化的目的，大多数是为了实现多工况自动计算；而流体仿真的单个案例，通常会持续较长时间，大多数处在十几个小时到几十个小时不等。对于这种“长“周期的仿真工程，显然自动化能够带来的工作量减小是微乎其微的，通常认为是可以忽略的。
② 流体仿真对于网格的要求很高，而几何尺寸改变后的自动体网格划分，网格质量往往无法有效控制，以至于难以满足流体仿真的需求。因此，基于几何参数化的自动网格生成通常被认为是“不靠谱“的。
③ 部分流体求解器的参数也和几何尺寸与网格息息相关，因此参数化流程可能会导致多工况中的部分问题求解发散。
在大多数行业中，流体工程师的大部分工作都是在手动调整网格和测试求解器参数，因此基于几何尺寸的参数化工作往往被认为是不高效、不靠谱的，这也是流体仿真模板较少的主要原因。
3. 多体分割
当我们希望不同的体在CFD求解器中具备不同的特点（比如多孔介质、不同材料的固体）时，就必须在几何的环节把他们区分开；否则上在后面的流程中（如网格、求解等）就很难再把他们分开。
结构树中的多个体可以命成一个名字，这样，他们就会在求解器中被当成单独的cell zone对待。
4. 体间缝隙/干涉
既然是仿真区域存在多个体，那么他们之间就不可避免的会存在问题，常见的体间问题包含干涉和缝隙。对于干涉问题，SCDM提供自动探测干涉区域并修复的功能，可以高效的处理多体间的错误；但对于缝隙问题，难度就很大了，SCDM中仅提供平面间的缝隙检测（基于实体）工具，当多个体相邻的曲面间存在缝隙时，这是十分让人头疼的问题，可能需要更多的高级功能和软件之间的配合来解决，限于篇幅，本文暂不做过多介绍。
5. 共享拓扑
流体仿真中，多个实体之间存在公共面，如果没有网格的相对运动，则推荐使用共节点网格。共节点网格的优势如下：
★ 更少的计算时间
★ 更高的数值精度
SCDM提供简单快捷的多体网格共节点方式“共享拓扑”，只需要在多个体的结构树组件中选择共享即可。
共享拓扑的实际工作步骤包含两个方面：
★ 压印
★ 网格共节点
（五）几何输出
SCDM输出几何的标准格式是*.scdoc，在这种格式下，ANSYS其他的网格划分软件可以读取文件中的几何实体信息、共享拓扑信息以及完整的参数化和命名信息，而且这些信息不会出现任何错误（基于ANSYS内部的数据接口），因此*.scdoc是最为推荐的几何输出格式。
当然，*.scdoc也有他自身的缺点，那就是高版本SCDM软件储存的文件，使用低版本的SCDM软件是无法打开的，大多数的CAD软件都有此特点，但CFD流体仿真的文件无这类特点（如.msh\.cas文件等都与版本无关）。
SCDM还能高效的输出中立格式的CAD几何，常见的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等，这一类的格式就与任何软件的版本无关了，但它里面也缺失了共享拓扑的信息、参数化的信息与命名的信息，当然，中立格式的CAD文件是不能确保和ANSYS其他网格划分软件进行无错数据传递的。
作者：张杨，仿真秀专栏作者，高级流体工程师
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