網(wǎng)格是CFD計算和有限元分析的關(guān)鍵之一,其質(zhì)量直接影響CFD數(shù)值計算的精度、收斂性和效率。由于離心泵幾何外形復(fù)雜、曲率變化劇烈,廣泛應(yīng)用的非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成算法仍然面臨諸多挑戰(zhàn),很難生成高質(zhì)量的四面體網(wǎng)格。因此,如何精確而高效地生成與計算區(qū)域相適應(yīng)的高質(zhì)量四面體網(wǎng)格是離心泵數(shù)值模擬亟待解決的難題之一,這不僅能為離心泵數(shù)值計算提供高質(zhì)量網(wǎng)格,促進網(wǎng)格生成理論和方法的發(fā)展,也能為其它類型泵及幾何形狀復(fù)雜機械部件高質(zhì)量網(wǎng)格的生成提供借鑒。 本文在國家自然科學(xué)基金項目“基于RM-DT算法的水泵CFD非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成研究”(No.51179075)的資助下,針對離心泵非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成過程中存在的問題展開研究,在理論分析、算例驗證、數(shù)值模擬和試驗研究的基礎(chǔ)上提出了一整套適用于離心泵幾何形狀特點的四面體網(wǎng)格生成算法。本文的主要工作和創(chuàng)造性成果有： 1.系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成技術(shù)的研究現(xiàn)狀,重點闡述了現(xiàn)有網(wǎng)格質(zhì)量衡量準(zhǔn)則、空間曲面和三維實體網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格優(yōu)化算法存在的主要問題。歸納了離心泵內(nèi)部流動數(shù)值模擬干擾因素的研究成果。此外,還對離心泵內(nèi)部流動PIV測量做了較為全面的概括。 2.在對比分析不同造型方法對網(wǎng)格劃分難易、生成網(wǎng)格的質(zhì)量以及效率影響的基礎(chǔ)上,確定了離心泵全計算域各過流部件的造型方法,并基于VC 6.0軟件開發(fā)平臺以及Pro/TOOLKIT,通過建立尺寸變量驅(qū)動的三維實體模板,開發(fā)了離心泵全計算域三維參數(shù)化自動造型及裝配軟件P3D。同時,為了完成設(shè)計參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)傳遞,采用動態(tài)連接庫通信方式調(diào)用MFC,設(shè)計了直觀易用的可視化交互界面。實例表明,程序運行效果良好,能大幅提高工作效率。 3.為增強評估四面體網(wǎng)格質(zhì)量的能力,建立一種基于四面體單元幾何特性的網(wǎng)格質(zhì)量衡量準(zhǔn)則。選取9種常用衡量準(zhǔn)則進行比較,結(jié)果表明新準(zhǔn)則在對劣質(zhì)單元、單元形狀變化的評判以及判別網(wǎng)格質(zhì)量所耗費時間方面都顯示出了較好的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合彎管數(shù)值計算和PIV試驗,探討了構(gòu)建網(wǎng)格獨立解的方法。同時,采用新準(zhǔn)則和其它3種準(zhǔn)則,對網(wǎng)格質(zhì)量衡量準(zhǔn)則與計算精度的關(guān)系進行了深入分析。研究表明,在計算誤差為E,e0.15的區(qū)間內(nèi),誤差的變化能夠引起新衡量準(zhǔn)則度量值的變化,故該衡量準(zhǔn)則能夠正確地評判出對計算精度影響較大的劣質(zhì)單元。 4.針對離心泵空間曲面網(wǎng)格生成過程中映射畸變問題,首次提出了一種基于黎曼度量并結(jié)合AFT和Delaunay法的曲面網(wǎng)格生成方法,即采用AFT來生成參數(shù)域的背景網(wǎng)格,且在對參數(shù)域內(nèi)背景網(wǎng)格進行加密時,為了抵消映射過程的畸變,采用插入三角形外接橢圓中心的方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)Delaunay插點內(nèi)核。該方法通過黎曼度量的引入以及合理的背景網(wǎng)格充分考慮了映射畸變和算法效率,不同比轉(zhuǎn)數(shù)離心泵葉片實例表明,算法易于實施,穩(wěn)定性好且生成的曲面網(wǎng)格質(zhì)量較高。 5.針對三維實體網(wǎng)格Sliver單元消除問題,在歸納分析加密消除Sliver單元算法原理的基礎(chǔ)上,對一種較優(yōu)的消除算法進行了改進,優(yōu)化了其判斷Sliver單元的方法,并通過保證插入新點后不產(chǎn)生細小Sliver單元的方式,解決了原方法對于插入點位置要求過于苛刻的問題。算例表明,本文算法能夠完全消除離心泵中的Sliver單元。 6.針對網(wǎng)格優(yōu)化過程中邊界網(wǎng)格質(zhì)量難以控制的問題,提出了一種基于優(yōu)化算法的光順(Optimization-based smoothing, OPS)對比分析了不同目標(biāo)函數(shù)和求最優(yōu)解方法在網(wǎng)格數(shù)、迭代次數(shù)以及需求精度等因素變化下對OPS優(yōu)化效果的影響,選用一種最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù),并將其變換為包含有考慮邊界網(wǎng)格質(zhì)量和內(nèi)部網(wǎng)格質(zhì)量的函數(shù)項,且為函數(shù)項添加了一個權(quán)重系數(shù)C,從而實現(xiàn)了對內(nèi)部和邊界處網(wǎng)格單元質(zhì)量的同時控制。通過實例驗證,該方法不但能夠提高內(nèi)部網(wǎng)格質(zhì)量且能夠提高邊界處網(wǎng)格質(zhì)量,權(quán)重系數(shù)C取0.7能夠取得較好的優(yōu)化效果且效率較高。 7.針對OPS算法本身固有的無法提高“全邊界單元”質(zhì)量的缺陷,首次提出了一種結(jié)合OPS和拓撲優(yōu)化的網(wǎng)格質(zhì)量提高策略,該方法通過判別“全邊界單元”中邊(或面)被相鄰單元共享的形式,而采用不同的拓撲交換方式,且在拓撲交換過程中僅考慮優(yōu)化后網(wǎng)格的拓撲相關(guān)性,并不考慮連通區(qū)域的質(zhì)量,保證能夠?qū)⒋祟悊卧D(zhuǎn)換為非“全邊界單元”,從而在隨后的OPS優(yōu)化中獲得較好的優(yōu)化效果。 8.采用CFD計算與PIV試驗方式驗證四面體網(wǎng)格生成算法的有效性。選取16臺不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵,探討了不同計算域、湍流模型、進出口邊界條件、速度壓力耦合算法以及收斂精度等干擾因素對數(shù)值計算的影響,以確定最佳數(shù)值計算方法。在此基礎(chǔ)上,應(yīng)用某商用網(wǎng)格劃分軟件和本文算法生成網(wǎng)格進行了數(shù)值計算,并與離心泵PIV試驗進行了比較。結(jié)果表明網(wǎng)格數(shù)量相近的情況下,本文算法得到的最差單元質(zhì)量以及網(wǎng)格平均質(zhì)量都要好于商用網(wǎng)格劃分軟件。對于外特性而言,兩套網(wǎng)格計算的揚程和效率誤差均在3.5%以內(nèi),但采用本文算法生成的網(wǎng)格預(yù)測精度更高；對于內(nèi)流場而言,兩套網(wǎng)格都與試驗值存在一些的差異,數(shù)值上的差異尤為明顯,但本文算法生成的網(wǎng)格無論是在預(yù)測離心泵內(nèi)部流動趨勢還是在數(shù)值上都要好于商用網(wǎng)格劃分軟件。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：TH311
【部分圖文】：

圖1一1間接法曲面網(wǎng)格生成RM算法在消除映射畸變方面具有很好的效果，能夠準(zhǔn)確地度量映射畸變，并且在合理定義黎曼度量后可以很好地控制待劃分域網(wǎng)格的生成必一叨，如圖1一1所示為文獻口7]中間接法曲面網(wǎng)格生成過程。RM算法通過曲面本身信息和網(wǎng)格劃分技術(shù)對生成的網(wǎng)格節(jié)點進行控制，其關(guān)鍵是如何獲得當(dāng)前節(jié)點的控制度量「28]。曲面上每一點的控制度量都是不一樣的，網(wǎng)格劃分過程中時刻需要得到曲面上某一點的控制度量。若每一次求取點的控制度量時都調(diào)用相關(guān)接口函數(shù)，那么算法的運行效率將會變得很低。一個有效的解決方法是采用背景網(wǎng)格法，即首先給定背景網(wǎng)格，接著將曲面上若干點的控制度量存儲到背景網(wǎng)格中，而對于其它點的控制度量，可根據(jù)背景網(wǎng)格中已有點的控制度量插值得到卿]。對于復(fù)雜幾何模型，這樣的工作通常困難且十分費時，對用戶的經(jīng)驗和專業(yè)素養(yǎng)要求也很高。同時，在離心泵曲面網(wǎng)格劃分過程中

網(wǎng)的同時保證邊界邊在最終網(wǎng)格中存在，而更通用的做法是在Deaunay三角化后執(zhí)行邊界恢復(fù)算法來保證邊界一致。相比二維邊界恢復(fù)問題，三維邊界恢復(fù)則存在理論上的困難，Sch6nhardt多面體(如圖1一2所示)的存在從理論上否定了在不加點情形下Delaunay三角化任意多面體的可能腳]。Ruppe[40]則證明在不加點的情況下判斷任意多面體能否三角化是一個Np(Non一 deterministiepolynomial)問題。因此，要實現(xiàn)邊界恢復(fù)必定要考慮如何添加輔助點，添加輔助點不僅破壞了原有單元尺寸場，還可能在其附近形成質(zhì)量較差，甚至產(chǎn)生退化的單元。因此，對添加輔助點的要求是[4l]:一要盡量減少輔助點的數(shù)量;二要優(yōu)化輔助點附近的單元質(zhì)量。c玲一子一廠處圖1一 2Sch6nhardt多面體

出現(xiàn)將導(dǎo)致在CFD計算時出現(xiàn)剛度矩陣病態(tài)，嚴(yán)重影響計算結(jié)果的精度，甚至導(dǎo)致無法收斂。Slive:單元也稱薄元，是指體積趨近于零的四面體單元，其4個頂點幾乎共面，如圖1一3所示。當(dāng)A趨近于A‘時就會形成Sliver單元。它是唯一一種同時具有四面體外接球半徑與最短邊的比值(Redius一 edge)147]較小但四面體外接球半徑與內(nèi)接球半徑的比值 (aspeetratio)較大的畸形單元。通常情況下，Radius一ed羅比值小于2且最小二面角小于5“的四面體，就認為是Sliver單元。圖1一 3Slive:單元定義Slive;單元的消除是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成中一個非常重要的問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種消除方法，主要分為通過優(yōu)化消除Slive;單元和通過加密消除sliver單元兩種方法。第一種方法是對己生成的網(wǎng)格進行優(yōu)化處理，從而消除網(wǎng)格中存在的Slive;單元。oiaehin、smith、ohadyani等￡48一50]通過對s一iver單元的相鄰單元進行局部變換來消除網(wǎng)格中的Sliver單元。Escobars、vartziotis等〔5’一52]提出采用助plaeian光順和廣義薄元分解相結(jié)合的優(yōu)化算法來消
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本文編號：2838005