3.6 ICEM CFD结构网格划分及实例

3.6.1 结构化网格基础

1．块的基础

ICEM CFD中划分六面体网格，通常需要利用到块（Block）拓扑分块来实现。根据拓扑学中的概念，只有四面体或六面体才具有几何映射功能。ICEM CFD中的Block即利用了这一特点。软件使用者可以通过操作虚拟块进行拓扑构建，在生成计算网格时，通过将Block上的数据映射至真实的物理几何，从而完成贴体网格的划分。

2．块的层次结构

与几何层次中的点线面拓扑结构类似，块中也有对应的拓扑结构。Block中的组成结构包括以下内容。

（1）顶点：Vertices，组成块的最小单位，指平面块中的角点及3D块中的顶点；

（2）边：Edge，由两个顶点相连的线；

（3）面：Face，由4条边线围成的区域；

（4）块：Block，在2D中为Face，在3D中则为6个Face围成的空间区域。

3．初始块的创建

在对块进行操作之前，需要进行块的创建工作。ICEM CFD中的块有两类：2D块与3D块，其中2D块为四边形，3D块为六面体。单击菜单栏中Blocking的创建块图标，打开Create Block对话框，如图3-110所示。

对话框中选项含义如下：

1）Part

选择放置块的Part，默认为实体Solid。

2）Inherit Part Name

选择是否继承选择的Part名称，该项只有在选择了2D Surface Blocking块类型时才会被激活。

3）Type

选择所要创建的块的类型，一共有三种类型：3D Bounding Box、2D Surface Blocking及2D Planar。分别对应3D块、2D表面块和2D平面块。

（1）3D Bounding Box

由图3-110可知，当Type选择3D Bounding Box时，Type下会出现Entities、Project vertices、Orient with geometry和2D Blocking复选框。

①Entities：选择几何体。创建的块将会包裹此几何体；若不选择任何几何体，则会创建包裹所有几何体的块。

②Project vertices：若选中此项，则会在创建块的同时将块的顶点映射至最近的几何上。

③Orient with geometry：若选中此项，软件将会尽量搜索几何的各个方向，创建包含几何的最小块。

④2D Blocking：若选中此项，则创建6个2D块。

（2）2D Surface Blocking

当Type选择2D Surface Blocking时，会出现如图3-111的对话框。

Method：指定块生成的方法，主要包括以下方法：

①Free。选择此方法将会生成非结构2D块。非结构2D块能够在边上生成任意数目的节点，且对应边上的节点数可以不相等。Free块内部网格采用循环算法进行网格划分。网格形式可以是All quad（全四边形）、Quad with one tri（拥有一个三角形的四边形占优网格）、All tri（全三角形网格）

②Some mapped。产生部分映射，剩下不能映射的部分以Free块的方式生成网格。

③Mostly mapped。尝试切割面尽可能的生成映射块。例如，三角形表面被切分为Y型块，半圆形表面被切分为C型块。剩余不能切分部分以Free方式构建块。

④Sweep。以扫描的方式构建面块。主要是为后面的2D to 3D Fill→Sweep操作准备的。扫描块的源头面可以是Free也可以是Mapped，然后将其复制到目标面上。可以拥有多个源面及目标面。

（3）2D Planar

选择该类型允许用户在XY平面上创建2D平面块。该类型块创建并没有其他选项需要设置。ICEM CFD会自动在XY平面上创建包括几何的2D块。

4．块的关联操作

关联是块操作中经常需要进行的工作，其主要目的在于将虚拟Block上的数据映射至真实的物理几何上。关联操作也是ICEM CFD块网格划分中最重要的工作，网格生成失败基本上都与关联错误有关。

单击Blocking菜单栏中Associate图标，可打开Blocking Associate（块关联）对话框，如图3-112所示。

1）Associate Vertex

将块上的顶点关联到几何点上，关联完毕后顶点会自动移动至与几何点重合。操作面板中提供了4种顶点关联方式，其中用得最多的是Point关联方式，选择块上的顶点与几何上的点相关联。

2）Associate Edge to Curve

关联块上的Edge到几何曲线上。

3）Associate Edge to Surface

此功能在实际工作中应用较少。其主要目的是将选择的Edge关联到距离最近的几何表面上。进行关联操作之后，所选择的Edge的颜色会变为白色/黑色。此功能主要是用于对块进行切分之后移动顶点操作之前。

4）Associate Face to Surface

此功能按钮可将选择的Face关联到选择的Surface。在默认情况下，ICEM CFD会将Face关联到距离与其最近的几何表面上。在一些情况下，默认的关联可能是错误的，只要采用此功能就可以重新进行关联。

5）Disassociate from Geometry

该选项用于取消关联。点、线、面关联可以分别进行取消。在ICEM CFD中完全可以采用重复关联进行覆盖操作。如发现关联错误，可以直接将块关联到正确的地方而无需先取消关联。

6）Update Associations

此功能按钮用于块关联的更新。

7）Reset Associations

重置块外部对象（Vertices、Edge、Face）与最近的几何对象相关联。

8）Snap Project Vertices

将与Point、Curve、Surface相关联的顶点映射到几何上。可选择所有可见顶点，也可以手动选择需要对齐的顶点。

9）Group/Ungroup Curves

此项功能可以将多条曲线。或将与已组合的曲线分散为多条曲线。在将一条Edge关联到多条Curve时，需要将Curve进行组合。

10）Auto Associate

此项为自动关联操作，实际应用较少。

5．块的切分

1）O型切分

O型切分是一种非常重要的切分方式，为ICEM CFD的特色功能之一，O型块通常有全O型块、L型块、C型块。O型切分通常用于带有圆弧结构的几何中，如圆形、圆柱形、球形等。

选择Blocking标签栏，单击Split Block图标，弹出Split Block对话框，单击Ogrid Block图标，即可进行O型块切分，其设置对话框如图3-113所示。

图3-113参数含义如下：

①Select Block（s）：选择要进行切分的块。

②Select Face（s）：选择要切分的面，在3D块中才能需要选择，2D块中是不激活的。

③Select Edge（s）：选择要切分的Edge。在3D块中，选择Edge，则与该Edge相连的Face及Block会被自动选中。

④Select Vert（s）：选择顶点。与Edge类似，与该顶点有联系的Face及Block都会被选中。

⑤Clear Select：清除所有选择。

⑥Around Block（s）：勾选此项可创建外O型网格。

⑦Offset：设置O型网格层的高度，该值越大，O型块越小。

⑧Absolute：以绝对尺寸方式设定O型网格层的高度。

2）Y型切分

圆形是四边形的一种特例。而对于非四边形的块，往往需要将其切分为四边形以进行映射网格生成。最常见的非四边形的块为三角形块，其他超过四边形的块都可以切割成四边形加三角形的形式，因此，熟练地将三角形块切割成四边形的形式，有助于生成映射网格。

在ICEM CFD中无须进行边的切割，而只是进行Edge的关联就可以达到分割目的，如图3-114所示为三角形的分块策略，将三角形切分为三个四边形以实现结构网格划分，由于分割三角形块的Edge类似大写英文字母Y，故常称为“Y型切分”。

3.6.2 二维网格生成——U-pipe结构网格划分

1．导入几何模型

设定工作目录。选择File→Change Working Dir命令，选择文件保存的路径。

导入几何文件。选择File→Import Model命令，选择数字资源ch3文件夹中的模型文件U-pipe1，导入模型如图3-115所示，检查各个part的定义是否正确。

导入几何模型后，在模型树上单击Geometry，打开下拉列表栏，勾选Points复选框，在Points节点上右击，在弹出的列表框中选择Show Point Names子菜单，如图3-116所示。

将几何体放大，勾选Geometry中的Surface显示几何编号，如图3-117所示。

2．创建Block

选择Blocking标签栏下Create Block按钮单击，打开Create Block对话框，在Initialize Blocks下Type后列表框中选择2D Planar，如图3-118所示，单击Apply创建2D Planar类型块，如图3-119所示。

3．进行块切割

单击Blocking标签栏下Create Block按钮，打开Split Block对话框，在Split Method（切割方法）中选择Prescribed point（指定点）方式进行切割，如图3-120所示。

先进行纵向切割，从左至右分别以点20和21进行切割，单击Split Block对话框下Edge后Select Edge（s）图标，选择以上两点，分别单击。

将Split Method改为Screen select，再进行横向切割，分别以点20和圆弧处大致三等分处两点进行切割，切割完毕后的块如图3-121所示。

4．删除多余块

选择Blocking标签栏，单击，弹出Delete Block对话框，如图3-122所示。

依次选择要删除的Block，中键确定删除，删除后如图3-123所示。

5．进行线面关联

选择Blocking标签栏，单击Associate（关联）图标，进入块关联对话框，单击按钮，在Associate Edge to Curve，Edge（s）选择上部9条线段，Curve（s）选择上部半圆弧线，关联后9条线段颜色变为绿色；按同样方法关联下部三条线段和下部半圆弧线，关联后完成如图3-124所示。

6．设定网格参数

设置网格最大尺寸0.001，选择Mesh标签栏，单击Global Mesh Setup图标，相关设置如图3-125所示，单击Apply按钮确定。

7．生成网格

在Mesh菜单栏中单击Compute Mesh按钮，单击Surface Mesh Only按钮，单击Compute生成网格，如图3-126所示。

3.6.3 三维网格生成——三叉管结构网格划分

1．导入几何模型

设定工作目录。选择File→Change Working Dir命令，选择文件保存的路径。

导入几何文件。选择File→Import Model命令，在打开的对话框中选择数字资源ch3中的Y-pipe1.igs文件所在目录，导入模型后，选中模型树Geometry下拉列表中Surfaces复选框，选择工具栏中的Solid Simple Display图标按钮，导入模型如图3-127所示。

2．建立初始块

选择Blocking标签栏下Create Block（创建块）图标，单击弹出的Create Block对话框，选择初始块图标，在创建类型Type下拉列表栏中选择3D Bounding Box，其他设置保持默认，单击Apply按钮创建初始块，如图3-128所示。

3．进行块的切割

采用指定点方式进行块切割。将模型树菜单栏中Geometry下拉菜单中的Point复选框选中。选择Blocking标签栏下Split Block（分割快）按钮，单击打开Split Block对话框，在Split Method下拉列表框中选择Screen select。调整视图成XY平面，如图3-129所示。

由于相贯线的存在，所以在底部需要留下一个块，需要在中间部位进行一次切割，单击Edge后Select Edge（s）图标，依次选择初始块中间竖直线段切割块，如图3-130所示。

4．O型切割

选择Blocking菜单栏下打开Split Block对话框中的Ogrid Block图标，选择Ogrid Block下Select Block（s）按钮，单击选择左下方块，中键确定，单击Apply按钮确定，如图3-131所示。同样方法选择右下方块，进行块的切割。

5．自动关联

选择Blocking菜单栏下Blocking Association图标按，自动关联，单击Apply按钮，关联结果如图3-132所示。

6．设定网格参数

选择Mesh菜单栏下Global Mesh Setup图标按钮，打开Global Mesh Setup对话框如图3-133（a）所示，进行网格尺寸设置；选择Mesh菜单栏下Compute Mesh图标按钮，打开Compute Mesh对话框如图3-133（b）所示，进行网格划分方法的设置。

7．生成网格

在Compute Mesh对话框中完成设置后，单击Compute按钮进行网格划分，生成网格后，关闭树形栏中Parts中_MSBR_1_1MATPOINT，网格显示如图3-134所示。

注：ICEM CFD网格划分还有许多具体划分技巧与方法，本章这两节仅为读者介绍其较为基本的方法，更多使用方法还需读者查看ICEM帮助文档，多对不同几何体进行网格划分练习，从而在用ICEM CFD划分网格时有自己更好的理解。