Simcenter STAR-CCM+ 如何用Remeshing模型实现网格重构
2022-04-29T13:09:06.000-0400
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摘要
本文说明用Remeshing模型进行网格重构的工作流程，包含重复网格功能。
详细信息
Simcenter STAR-CCM+2021.1（16.02）版本中新增了Remeshing模型。本文将说明如何选择、设置这一模型来模拟运动部件。
模拟变形运动的方法包括：
1.Java宏：可以提取/转换几何体，重新导入（如果有必要），将新的Part关联到Region，重新划分网格。但仍有一个缺点：Morpher会变形，可能产生负体积单元，导致计算崩溃。
2. Simulation operation：为了简化工作流并避开编程工作，Simcenter STAR-CCM+提供了此工具，用于代替java宏，但也会遇到负体积的问题。
3. Remeshing Model：在Simcenter STAR-CCM+2021.1（16.02）中新增的功能。将取代上述两种方法，确保模拟运行没有任何问题，尤其是没有负体积单元的问题。本文将详细介绍此方法。
Remeshing Model的思想是在激活Morphing的情况下创建一个稳健的工作流，防止负体积单元。可以“预”变形，并检查变形是否成功。如果不成功，则启动重构网格过程，从而避免出现负体积单元。
Remeshing模型出现在Physics Continuum -> Models列表中：
属性窗口如下：
最重要的属性是Mesh Operations，质量检查（Cell quality, Min Surface Validity）及是否提取变形后的面（Extract Surface Mesh Parts）。Repeating Meshes是Simcenter STAR-CCM+ 2021.2 (16.04)的新功能。
1. Cell Volume：此触发器默认是打开的。激活变形器时，网格在某个点可能发生严重变形，产生非常小的单元体积（或为负体积）。为了避免计算崩溃，当预变形器（Pre-morpher）发现变形后的单元体积低于Min Cell Volume中设置的值时，会触发Remeshing。上图中Min Cell Volume等于零，表示当预估出现负体积单元时，会进行网格重构。
2. Cell Quality：如果勾选此项，则当预变形器发现有单元的质量低于“Min Cell Quality”（上图中未显示）中设置的值时，将触发网格重构。
3. Cell Face Validity：如果勾选此项，当单元面的有效性低于Min Face Validity中设置的值时，将触发网格重构。
4. Check User Defined Quality：这是一个用户定义的标准。勾选此选项时，如果User Defined Quality（上图中未显示）中的值定义为user Field Function，将触发网格重构。
此外，还可以用时间步长/迭代次数强制触发网格重构。如果有必要，可以到solvers > Remeshing，勾选Enable Trigger，设置触发器和触发频率。
由于计算域在变形（移动），需要先创建一个Geometry Operation来考虑计算域的移动或变形。
以附件中的旋转体为例进行说明。由于叶片的旋转运动，计算域需要变形，所以定义了变形和旋转运动。
由于叶片要旋转，在某个时刻需要对几何体重新划分网格，所以几何体必须跟随运动，使网格重构时几何体处于正确的位置。要实现这一点，首先创建Mesh Operation > Transform，然后根据运动形式（本例中是旋转）创建一个新变换。这是Simcenter STAR-CCM+中自动重划网格最重要的步骤。
由于CAD几何在跟随运动，只需要告诉Remeshing模型需要执行哪些Mesh Operations。本例中，需要所有操作，所以Remeshing模型中选择All。
这个功能是为了节省计算时间，因为网格划分过程非常耗时，尤其是网格量很大时。此功能用于模拟周期运动，如旋转或周期性平移，保存计算过程的多个网格状态。本例的运动类似泵（旋转运动），所以将使用“重复网格”功能。需要设置几何体“返回”到原始位置的时间频率。例如，如果有四个叶片，每秒转一圈，时间步长是一毫秒，要回到原始几何的位置，需要旋转250个时间步，即转动1/4圈。
Repeating Meshes创建多套网格，数量相当于网格重构位置的数量（本例中，每25个时间步触发一次，就会得到大约10套网格），见下图。
一旦网格到达保存的位置，将调用对应位置的网格，从而节省重构网格的时间。
- Steady
- AMR
- DFBI
- FSI / DFBI
- User Defined Vertex Motion
模拟变形运动的方法包括：
1.Java宏：可以提取/转换几何体，重新导入（如果有必要），将新的Part关联到Region，重新划分网格。但仍有一个缺点：Morpher会变形，可能产生负体积单元，导致计算崩溃。
2. Simulation operation：为了简化工作流并避开编程工作，Simcenter STAR-CCM+提供了此工具，用于代替java宏，但也会遇到负体积的问题。
3. Remeshing Model：在Simcenter STAR-CCM+2021.1（16.02）中新增的功能。将取代上述两种方法，确保模拟运行没有任何问题，尤其是没有负体积单元的问题。本文将详细介绍此方法。
Remeshing Model的思想是在激活Morphing的情况下创建一个稳健的工作流，防止负体积单元。可以“预”变形，并检查变形是否成功。如果不成功，则启动重构网格过程，从而避免出现负体积单元。
如何选择此模型
在Physics Models面板中选择Implicit Unsteady Mode后，在Optional models中选择Remeshing模型。属性窗口如下：
最重要的属性是Mesh Operations，质量检查（Cell quality, Min Surface Validity）及是否提取变形后的面（Extract Surface Mesh Parts）。Repeating Meshes是Simcenter STAR-CCM+ 2021.2 (16.04)的新功能。
何时REMESH
在Remeshing模型的属性窗口中，可以设置Remesher的触发器，也就是规定Simcenter STAR-CCM+何时运行Mesh Operations，创建新的网格。1. Cell Volume：此触发器默认是打开的。激活变形器时，网格在某个点可能发生严重变形，产生非常小的单元体积（或为负体积）。为了避免计算崩溃，当预变形器（Pre-morpher）发现变形后的单元体积低于Min Cell Volume中设置的值时，会触发Remeshing。上图中Min Cell Volume等于零，表示当预估出现负体积单元时，会进行网格重构。
2. Cell Quality：如果勾选此项，则当预变形器发现有单元的质量低于“Min Cell Quality”（上图中未显示）中设置的值时，将触发网格重构。
3. Cell Face Validity：如果勾选此项，当单元面的有效性低于Min Face Validity中设置的值时，将触发网格重构。
4. Check User Defined Quality：这是一个用户定义的标准。勾选此选项时，如果User Defined Quality（上图中未显示）中的值定义为user Field Function，将触发网格重构。
此外，还可以用时间步长/迭代次数强制触发网格重构。如果有必要，可以到solvers > Remeshing，勾选Enable Trigger，设置触发器和触发频率。
如何REMESH
本节说明在选择Remeshing模型、设置何时触发后，应该做哪些操作。由于计算域在变形（移动），需要先创建一个Geometry Operation来考虑计算域的移动或变形。
以附件中的旋转体为例进行说明。由于叶片的旋转运动，计算域需要变形，所以定义了变形和旋转运动。
由于叶片要旋转，在某个时刻需要对几何体重新划分网格，所以几何体必须跟随运动，使网格重构时几何体处于正确的位置。要实现这一点，首先创建Mesh Operation > Transform，然后根据运动形式（本例中是旋转）创建一个新变换。这是Simcenter STAR-CCM+中自动重划网格最重要的步骤。
由于CAD几何在跟随运动，只需要告诉Remeshing模型需要执行哪些Mesh Operations。本例中，需要所有操作，所以Remeshing模型中选择All。
重复网格
从Simcenter STAR-CCM+2021.2（16.04）开始，又新增了一个网格自动重划分的功能：The Repeating Meshes：重复网格。这个功能是为了节省计算时间，因为网格划分过程非常耗时，尤其是网格量很大时。此功能用于模拟周期运动，如旋转或周期性平移，保存计算过程的多个网格状态。本例的运动类似泵（旋转运动），所以将使用“重复网格”功能。需要设置几何体“返回”到原始位置的时间频率。例如，如果有四个叶片，每秒转一圈，时间步长是一毫秒，要回到原始几何的位置，需要旋转250个时间步，即转动1/4圈。
Repeating Meshes创建多套网格，数量相当于网格重构位置的数量（本例中，每25个时间步触发一次，就会得到大约10套网格），见下图。
一旦网格到达保存的位置，将调用对应位置的网格，从而节省重构网格的时间。
不兼容性
由于Remeshing Model模型是新功能，与Simcenter STAR-CCM+中的有些模型不兼容：- Steady
- AMR
- DFBI
- FSI / DFBI
- User Defined Vertex Motion