3.3 ANSYS ICEM CFD 16.0的應用

與眾多的前處理軟件相比，ANSYS ICEM CFD在結構化網格劃分方面有著巨大的優勢。其強大的結構化網格劃分功能使其在CFD前處理過程中得到了極其廣泛的應用，本節將介紹ANSYS ICEM CFD 16.0的基本特點和用法。

3.3.1 ANSYS ICEM CFD的基本功能

ANSYS ICEM CFD是一款世界頂級的CFD/CAE前處理器，為各種流行的CFD/CAE軟件提供高效可靠的分析模型。ANSYS ICEM CFD 16.0的操作界面如圖3-29所示。

下面從模型接口、幾何功能、網格劃分、網格編輯等幾個方面簡單介紹該軟件的基本功能。

1．強大的模型接口

ANSYS ICEM CFD模型接口具體功能如圖3-30所示。

2．幾何體構造及編輯功能

幾何體構造及編輯功能包括：創建點線面體、幾何變換（平移、旋轉、鏡面、縮放）、布爾運算（相交、相加、切分）、高級曲面造型（抽取中面、包絡面）、幾何修復（拓撲重建、閉合縫隙、縫合裝配邊界）。

3．豐富的網格類型

網格類型包括四面體網格（Tetra Meshing）、棱柱網格（Prism Meshing）、六面體網格（Hexa Meshing）、錐形網格（Pyramid Meshing）、O形網格（O-Grid Meshing）、自動六面體網格（AutoHexa）等。下面重點介紹ANSYS ICEM CFD最典型的3種網格劃分模型。

（1）四面體網格。

四面體網格適合對結構復雜的幾何模型進行快速高效的網格劃分。在ANSYS ICEM CFD中，四面體網格的生成實現了自動化。

系統自動對ANSYS ICEM CFD已有的幾何模型生成拓撲結構，用戶只需要設定網格參數，系統就可以自動快速地生成四面體網格，如圖3-31所示。系統還提供豐富的工具，使用戶能夠對網格質量進行檢查和修改。

Tetra采用8叉樹算法來對體積進行四面體填充并生成表面網格。Tetra具有強大的網格平滑算法，以及局部適應性加密和粗化算法。

對于復雜模型，ANSYS ICEM CFD Tetra具有如下優點。

● 基于8叉樹算法的網格生成。

● 快速模型及快速算法，建模速度高達1500 cells/s。

● 網格與表面拓撲獨立。

● 無須表面的三角形劃分。

● 可以直接從CAD模型和STL數據中生成網格。

● 控制體積內部的網格尺寸。

● 采用自然網格尺寸（Natural Size）單獨決定幾何特征上的四面體網格尺寸。

● 四面體網格能夠合并到混合網格中，并實施體積網格和表面網格的平滑、節點合并和邊交換操作。圖3-32為采用Tetra生成的棱柱和四面體混合網格。

● 單獨區域的粗化。

● 表面網格編輯和診斷工具。

● 局部細化和粗化。

● 為多種材料提供一個統一的網格。

（2）棱柱網格。

Prism網格（棱柱網格）主要用于四面體網格中對邊界層的網格進行局部細化，或是用在不同形狀網格（Hexa和Tetra）之間交接處的過渡。與四面體網格相比，Prism網格的形狀更為規則，能夠在邊界層處提供更好的計算網絡。

此外針對物體表面分布層問題，特別加入了Prism正交性網格，通過內部品質（Quality）的平滑性（Smooth）運算，能夠迅速產生良好的連續性格點。

（3）六面體網格。

在ANSYS ICEM CFD 16.0中，六面體網格劃分采用了由頂至下和自底向上的“雕塑”方式，可以生成多重拓撲塊的結構和非結構化網格，此外，方便的網格雕塑技術可以劃分任意復雜的幾何體純六面體網格，如圖3-33所示。整個過程半自動化，用戶能在短時間內掌握原本只能由專家進行的操作。

另外，ANSYS ICEM CFD還采用了先進的O-Grid等技術，用戶可以方便地在ANSYS ICEM CFD中對非規則幾何形狀劃分出高質量的“O”形、“C”形、“L”形六面體網格，如圖3-34所示。

ANSYS ICEM CFD的網格工具還包括網格信息預報、網格裝配工具、網格拖動工具。

4．網格編輯功能

網格編輯功能具體如下。

● 網格質量檢查功能（多種評價方式）。

● 網格修補及光順功能（增刪網格/自動Smooth/縫合邊界等）。

● 網格變換功能（平移/旋轉/鏡面/縮放）。

● 網格劈分功能（細化）。

● 網格節點編輯功能。

● 網格類型轉換功能（實現Tri→Quad/Quad→Tri/Tet→Hexa/所有類型→Tet的轉換）。

工程應用中經常采用網格自動劃分實現模型的網格劃分，一般操作的基本步驟如下。

（1）導入幾何模型并修整模型。

（2）創建實體與邊界，根據模型創建實體（Body），根據具體表面創建邊界（Part）。

（3）指定網格尺寸，首先指定全局網格尺寸及合適的網格類型，然后劃分并進行網格光順處理。

（4）生成網格并導出，指定CFD/CAE軟件和輸出文件。

3.3.2 ANSYS ICEM CFD 16.0的操作界面

由于篇幅所限及版本更新較快，這里只簡單介紹ANSYS ICEM CFD 16.0版本的網格編輯器界面的基本用法。

1.ANSYS ICEM CFD 16.0菜單

在操作界面的上方有一串功能菜單，下面簡單說明這些基本菜單。

File：文件菜單提供許多與文件管理相關的功能，如打開文件、保存文件、合并和輸入幾何模型、存檔工程，這些功能方便了管理ANSYS ICEM CFD 16.0工程。

Edit：編輯菜單包括回退、前進、命令行、網格轉化為小面結構、小面結構轉化為網格、結構化模型面等選項。

View：視圖菜單包括合適窗口、放大、俯視、仰視、左視、右視、前視、后視、等角視、視圖控制、保存視圖、背景設置、鏡像與復制、注釋、加標記、清除標記、網格截面剖視等選項。

Info：信息菜單包括幾何信息、面的面積、最大截面積、曲線長度、網格信息、單元體信息、節點信息、位置、距離、角度、變量、分區文件、網格報告等選項。

Settings：設置菜單包括常規、求解、顯示、選擇、內存、遠程、速度、重啟、網格劃分等選項。

Help：幫助菜單包括啟動幫助、啟動用戶指南、啟動使用手冊、啟動安裝指南、有關法律等選項。

2．模型樹

模型樹位于操作界面左側，通過幾何實體、單元類型和用戶定義的子集控制圖形顯示。

因為有些功能只對顯示的實體發生作用，所以模型樹在孤立需要修改的特殊實體時體現了重要性。用鼠標右鍵單擊各個項目可以方便地進行相應的設置，如顏色標記和用戶定義顯示等。

3．消息窗口

消息窗口顯示ANSYS ICEM CFD提示的所有信息，使用戶了解內部過程。消息窗口顯示操作界面和幾何、網格功能的聯系。在操作過程中時刻注意消息窗口是很重要的，它將告訴用戶進程的狀態。

單擊Save按鈕，可將所有窗口內容寫入一個文件，文件路徑默認在工程打開的地方。

選中Log復選框，將只保存用戶特定的消息。

3.3.3 ANSYS ICEM CFD 16.0的文件系統

ANSYS ICEM CFD 16.0在打開或者創建一個工程時，總是讀入一個擴展名為prj（project）的文件，即工程文件，其中包含了該工程的基本信息，包括工程狀態及相關子文件的信息。

一個工程可能包含的子文件及文件說明如下（以“name”代表文件名）。

● name.tin（tetin）文件：幾何模型文件，在其中可以包含網格尺寸定義的信息。

● name.blk（blocking）文件：六面體網格拓撲塊文件。

● domain.n文件：結構六面體網格分區文件，n表示分區序號。

● name.uns（unstructured）文件：非結構網格文件。

● multi-block文件：結構六面體網格文件，包含各個分區的鏈接信息，在輸出網格用它來鏈接各個網格分區文件。

● name.jrf文件：操作過程的記錄文件，但不同于命令記錄。

● family.boco（boundary condition）、boco和name.fbc文件：邊界條件文件。

● family_topo和top_mulcad_out.top文件：結構六面體網格的拓撲定義文件。

● name.rpl（replay）文件：命令流文件，記錄ANSYS ICEM CFD的操作命令碼，可以通過修改或編寫后導入軟件，自動執行相應的操作命令。

3.3.4 ANSYS ICEM CFD 16.0的操作步驟

首先介紹ANSYS ICEM CFD 16.0中鼠標和鍵盤的基本操作，具體如表3-15所示。

ANSYS ICEM CFD 16.0的功能非常強大，不但能進行非結構化網格的劃分，還能夠進行結構化網格的劃分。劃分結構化網格是ANSYS ICEM CFD 16.0的強項，也是用戶使用該軟件的主要目的。下面主要針對怎樣使用ANSYS ICEM CFD 16.0進行結構化網格劃分來說明這個軟件的用法。

如果計算模型比較簡單，可以直接使用ANSYS ICEM CFD 16.0的工具來建立幾何模型，但是ANSYS ICEM CFD 16.0的建模功能還不夠強大，一般的模型需要在CATIA或其他CAD軟件中建立再導入進來。下面假設已經在CATIA中建立了一個模型，介紹怎樣將模型導入并利用ANSYS ICEM CFD 16.0劃分結構化網格。

1．導入幾何體。

執行File→Geometry→Open Geometry命令，選擇好文件后在出現的對話框中進行相應的設置，即可將幾何文件導入。在這里還可將其他類型的文件導入，如msh文件等。導入之后就可以進行相關操作了。

2．幾何操作

一般導入的幾何體是非常粗糙的，還需要在ANSYS ICEM CFD 16.0中進行相應的修改，不過這里建議在CATIA等CAD軟件中將幾何模型盡量簡化。圖3-35為在對幾何體進行操作時經常用到的一些工具。

對導入進來的幾何體進行相關的幾何操作，以此得到想要的拓撲結構。只有得到很好的拓撲結構，才能更好地進行后續的操作。

3．建立拓撲結構并與幾何模型關聯

在處理好幾何體之后，接下來就要建立幾何模型的拓撲結構。建立的方法是單擊Blocking標簽。其中的一些主要工具說明如圖3-36所示。

通過這些工具可以創建幾何模型的拓撲結構，以及與幾何模型對應的邊和點。

4．劃分網格工具

在建立了幾何模型的拓撲結構之后，接下來就是設置網格劃分參數。單擊Mesh標簽，設置網格參數，如圖3-37所示。根據幾何線的長度以及流場的情況來設置網格劃分參數。

5．設置求解器

在完成網格劃分以后，需要設置求解器，然后輸出為相應格式并保存，如圖3-38所示。

3.3.5 ANSYS ICEM CFD 16.0應用實例

下面介紹一個劃分結構化網格的實例，讓讀者對ANSYS ICEM CFD 16.0的功能有一個初步的了解。如果想進一步學習，請參看ANSYS ICEM CFD 16.0的幫助文件。

1．實例描述

FLUENT常用來計算機翼的空氣動力學屬性，圖3-39所示為一個機翼三維模型，為了計算其外部繞流，需對其外部區域劃分網格。在本例中，導入ICEM CFD的幾何模型中已經包含了整個計算區域的模型。

2．打開幾何體

首先將幾何文件tin復制到工作目錄下面。然后執行File→Open Geometry命令，選擇文件，單擊Accept按鈕，即可將．tin中創建的圖形讀入ANSYS ICEM CFD 16.0，如圖3-40所示。

在這個幾何體中，點、曲線和曲面均已經被分類并命名，如圖3-41所示，因此可以直接進入分塊的過程。

3．創建塊

（1）執行File→Replay Scripts→Replay Control命令，開始記錄在創建塊的過程中輸入的所有命令。以后在劃分幾何形狀相同但尺寸有所不同的幾何體的結構化網格時，只要將新幾何體調入ANSYS ICEM CFD之后，將這個記錄命令的文件調入執行即可，而不必進行重復的操作。該功能在進行大量而且形狀相似的幾何體的結構化網格劃分時特別有用。

（2）選擇Blocking→Create Block→Initialize Blocks，打開創建塊的面板，如圖3-42所示，默認的類型為3D Bounding Box。先確認是否選擇了該類型，然后在Part中輸入Fluid，單擊Apply按鈕，在體周圍創建初始的塊。

（3）在顯示樹中，確認曲線被選中，并且曲線名字不被選中。右擊Geometry→Curves→Show Curve Names，關閉顯示曲線名稱。同樣確認所有的曲面不顯示。打開Blocking→Vertices，并右擊Vertices→Numbers，顯示點的數字。初始化塊顯示如圖3-43所示。

在顯示樹中選擇Points→Show Point Names，顯示點。

（4）選擇Blocking→Split Block →Split Block。從Split Method下拉列表中選擇Prescribed point，如圖3-44所示。

單擊Edge按鈕，并選擇25～41線段，單擊鼠標中鍵表示確定所選。點25和點41是這條線的端點，單擊Point按鈕，并選擇機翼翼根上的pnt.30，如圖3-45所示。

單擊Apply按鈕，即完成了通過指定點來分塊，如圖3-46所示。

（5）同樣，選擇由點70和點41定義的邊。并選擇pnt.35（見圖3-47）作為Prescribed point來打斷這條邊。完成之后的塊顯示如圖3-48所示。

（6）用pnt.30劃分線69～70，得到如圖3-49所示的塊。

（7）用pnt.32劃分線69～104，得到如圖3-50所示的塊（局部）。

（8）用翼稍的pnt.36劃分線105～111，得到如圖3-51所示的塊（局部）。

至此，塊的劃分已經完成，完成后的塊如圖3-52所示。

4．關聯點

為了保證塊的邊與幾何體有合適的關聯，必須將塊頂點投影到幾何體的指定點上，然后將塊邊界投影到曲線上。

（1）在顯示樹中分別右擊Blocking→Vertices→Numbers和Geometry→Points，顯示塊和幾何體的點。

（2）選擇Blocking→Associate→Associate Vertex，將會顯示一個選擇面板，如圖3-53所示。確保關聯的實體為Point。

（3）單擊Vertex按鈕，選擇Vertex104，單擊鼠標中鍵確認所選。單擊Point按鈕，選擇pnt.30，單擊Apply按鈕，完成Vertex104和pnt.30的關聯。

以同樣的方法，關聯Vertex128和pnt.32、Vertex105和pnt.35、Vertex129和pnt.34、Vertex164和pnt.25、Vertex158和pnt.27、Vertex165和pnt.36、Vertex159和wing.46。完成后的塊如圖3-54所示。

5．調整點的分布

由于只是關聯機翼表面的特征點，造成Vertex的分布不合理，因此需要調整Vertex的分布。單擊Blocking工具欄中的按鈕，打開Move Vertices面板，單擊按鈕，選中Modify X項，如圖3-55所示。這樣的操作將以選定參考點的X坐標為標準，把被移動點的X坐標調整為與參考點的X坐標相同。

單擊Ref.Vertex框后面的按鈕，然后選擇參考Vertex，此處選擇Vertex164。

單擊Vertices to Set框后面的按鈕，然后選擇需要調整的Vertex，此處選擇Vertex73、Vertex74、Vertex110、Vertex134、Vertex152、Vertex170，單擊鼠標中鍵確認所選，單擊Apply按鈕完成調整。調整后的塊如圖3-56所示。

用同樣的方法，以Vertex165為參考點，調整Vertex89、Vertex90、Vertex111、Vertex135、Vertex153、Vertex171，得到最終調整的塊，如圖3-57所示。

6．建立機翼附近映射關系（邊關聯）

（1）打開Curve名和Vertex名。

（2）單擊Blocking工具欄中的按鈕，打開塊調整面板，單擊按鈕，變成將Edge關聯到Curve。

（3）單擊按鈕，然后選擇Edge105-104-128-129（翼根處的3條Edge分別是105-104、104-128、128-129）。

（4）單擊按鈕，然后選擇曲線F_78e77，單擊鼠標中鍵確認所選，單擊Apply按鈕完成關聯。

用同樣的方法關聯Edge105-129到曲線box8.01e102、關聯Edge165-164-158-159到曲線F_142e33、關聯Edge165-159到曲線box8.01e100、關聯Edge165-105到曲線crv.23、關聯Edge159-129到曲線crv.25。

關聯后的Edge都變成了綠色，如圖3-58所示。

7．創建機翼外部的O形塊

（1）選擇Blocking→Split Block→Ogrid Block，選中Around block(s)和Absolute，并將Offset設置為30，如圖3-59所示。

（2）單擊增加Select Block(s)圖標，選擇如圖3-60所示的塊，單擊鼠標中鍵確認所選。此步選擇代表機翼本體的塊，在機翼的外圍表面生成O形網格。

（3）單擊Apply按鈕創建O形塊，形成的塊如圖3-61所示。

8．刪除無用的塊

因為CFD計算流場時，機翼本體的網格是不參與計算的，因此要把代表機翼本體的塊刪除。選擇Blocking→Split Block→Delete Block，再選擇代表機翼本體的塊，單擊鼠標中鍵確認所選，然后單擊Apply按鈕刪除選中的塊。

9．定義網格節點分布

選擇Blocking→Pre-Parameters→Edge Params，選中Copy Parameters，并在Method后選擇To All Parallel Edges。選擇Edge后再選擇需要設置的邊，輸入設置參數即可，如圖3-62所示。

按表3-16設置各邊的參數。

設置完成后，塊的創建全部完成，此時最好保存塊文件，執行File→Blocking→Save Blocking As命令，在彈出的對話框中輸入文件名，將保存一個．blk文件。

10．生成網格

在模型樹中選擇Model→Blocking→Pre-Mesh，即可完成網格的劃分。完成后的計算域外部網格如圖3-63所示。

觀察機翼表面，如圖3-64所示。觀察內部網格，如圖3-65所示，可以看出網格質量較好。

11．檢查網格質量

通過選擇Blocking→Pre-Mesh Quality可以檢查網格質量。圖3-66為以默認標準“Determinant 2×2×2”判斷的網格質量。

12．輸出msh文件

接下來要將網格文件導出成為ANSYS FLUENT能夠讀入的msh文件。

（1）用鼠標右鍵單擊模型樹中的Pre-Mesh，選擇Convert to Unstruct Mesh，將網格轉換成非結構網格。

（2）選擇Output→Select Solver，在彈出的如圖3-67所示的面板中選擇ANSYS FLUENT（對應的ANSYS FLUENT版本為16.0）。

（3）選擇Boundary Condition，在彈出的如圖3-68所示的面板中對邊界條件進行設置。

（4）選擇Output→Write input，在出現的Save Current Project First面板中選擇No。在出現的選擇文件對話框中選中相應的文件后，出現如圖3-69所示的輸出msh文件對話框，在這里進行相應的設置之后，單擊Done按鈕即可輸出msh文件到指定路徑，這樣FLUENT軟件就可以將這個文件導入了。