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Geometrie und Mesh Generation

Das Netz ist ein wesentlicher Bestandteil der numerischen Lösung und muss bestimmte Kriterien erfüllen, um eine gültige und präzise Lösung zu erhalten. Der folgende Abschnitt beschreibt die snappyHexMesh utility] zum Erstellen von 3D-Netzen, die hexaedrische und geteilt-hexaedrische Zellen aus triangulierten Oberflächengeometrien enthalten.

Weitere Details zu den Mesh-Spezifikationen und Gültigkeitsbeschränkungen finden Sie in Kapitel 4 des OpenFOAM User Guide]. Um snappyHexMesh auszuführen, sind zusätzlich zu einem vorhandenen Geometrie-Basis-Mesh folgende Dateien erforderlich:

openfoam

Figure 1:Fallverzeichnis, das die Dateien enthält, die zum Ausführen von snappyHexMesh erforderlich sind.

Die folgenden Abschnitte beschreiben die Schritte, die befolgt werden müssen.

Erstellung des Hintergrunds Hex Mesh

Bevor Sie snappyHexMesh ausführen können, muss ein Hintergrundnetz erstellt werden, das durch hexaedrische Zellen gekennzeichnet ist. Dieses Mesh muss die gesamte Region enthalten, die mit * snappyHexMesh * in Eingriff gebracht werden soll, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.

openfoam

Figure 2:Hintergrund-Mesh erstellt mit blockMesh enthält die Struktur zu vermaschten.

In der Datei blockMeshDict müssen die folgenden Elemente hinzugefügt werden:

   convertToMeters 1;
    vertices
        (
            ( -30.0 -25.0 -25.0 )   //vertex number 0
            ( 70.0 -25.0 -25.0 )   //vertex number 1
            ( 70.0 25.0 -25.0 )   //vertex number 2
            ( -30.0 25.0 -25.0 )   //vertex number 3
            ( -30.0 -25.0 25.0 )   //vertex number 4
            ( 70.0 -25.0 25.0 )   //vertex number 5
            ( 70.0 25.0 25.0 )   //vertex number 6
            ( -30.0 25.0 25.0 )   //vertex number 7
        );
openfoam

Figure 3:Hintergrund-Mesh zeigt die Reihenfolge an, in der die Eckpunkte in die Block-MeshDict-Datei geschrieben werden.

    blocks
        (
            hex (0 1 2 3 4 5 6 7)   // vertex numbers
            (400 200 200)   // number of cells in each direction
            simpleGrading (1 1 1) // cell expansion ratios
        );

Für weitere Details zum blockMesh-Dienstprogramm siehe blockMesh im OpenFOAM User Guide].

SurfaceFeaturesDict

Die surfaceFeaturesDict extrahiert und schreibt alle Oberflächenmerkmale in eine Datei. In dieser Datei müssen alle STL Dateien, die im triSurface-Ordner gespeichert wurden, wie folgt hinzugefügt werden:

    Air
    {
        surfaces
            ("Air.stl");
        includedAngle   180;

    // Write features to obj format for postprocessing
        writeObj                yes;
    }

Die vollständige Version des surfaceFeaturesDict für das aktuelle Tutorial wird im Fallordner gespeichert.

decomposeParDict

Der decomposeParDict wird verwendet, um ein Mesh und Felder eines Cases zur parallelen Ausführung zu zerlegen. Beim Parallellauf muss die Geometrie zunächst für jeden MPI (Message Passing Interface, ein Standard für Parallel Computing)-Prozess in einzelne Geometrien segmentiert werden. Der Eintrag numberOfSubdomains ist obligatorisch, und die Methode definiert den Typ der Zerlegungsmethode. Es stehen mehrere Zersetzungsverfahren zur Verfügung. Daher stellt die unten gezeigte Datei decomposeParDict nur eine beispielhafte Option dar.

    numberOfSubdomains 8;
    method          simple;

    simpleCoeffs
    {
        n               (2 2 2);
        delta           0.001;
    }

    hierarchicalCoeffs
    {
        n               (1 1 1);
        delta           0.001;
        order           xyz;
    }

    manualCoeffs
    {
        dataFile        "";
    }

    distributed     no;

    roots           ( );

SnappyHexMesh

Das snappyHexMeshDict Wörterbuch enthält eine Reihe von Befehlen, die die verschiedenen Schritte des Meshing-Prozesses steuern. Die wichtigsten sind die folgenden:

Die wichtigsten Schritte beim Ausführen von snappyHexMesh sind:

  1. Castellation: Die Zellen, die sich außerhalb einer Region befinden, die durch einen vordefinierten Punkt definiert ist, werden entfernt.

  2. Snapping: rekonstruiert die Zellen, um die Kanten aus dem Inneren der Region an die erforderliche Grenze zu bewegen.

  3. Layering: Erstellt zusätzliche Schichten in der Grenzregion.

  4. Mesh quality: Kontrolle und Überprüfung der Qualität des Netzes.

For this example, the add Layers option, which enables the addition of viscous layers, was set to false.

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
| =========                 |                                                 |
| \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
|  \\    /   O peration     | Version:  2.2.0                                 |
|   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
|    \\/     M anipulation  |                                                 |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      snappyHexMeshDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

// Which of the steps to run
castellatedMesh true;    // make basic mesh 
snap            true;    // decide to snap back to surface 
addLayers       false;   // decide to add viscous layers

Das GEOMETRY-Unterwörterbuch listet alle von snappyHexMeshDict verwendeten Oberflächen mit Ausnahme der blockMesh-Geometrie auf. Darüber hinaus definiert es einen Namen für jeden von ihnen, der als Referenz verwendet werden soll, wie im folgenden Beispiel gezeigt.

geometry // Load all the STL files here
{
  Air.stl {type triSurfaceMesh; name Air;}
  Concrete-sides.stl {type triSurfaceMesh; name Concrete-sides;}
  Gravel-bottom.stl {type triSurfaceMesh; name Gravel-bottom;}
  Inlet.stl {type triSurfaceMesh; name Inlet;}
  Obstacle.stl {type triSurfaceMesh; name Obstacle;}
  Outlet.stl {type triSurfaceMesh; name Outlet;}
};

Castellation (Raffination)

Die Einstellungen CastellatedMeshControls erlauben dann die Definition der Mesh-Verfeinerung. Der Verfeinerungsgrad kann in den Abschnitten features, refinementSurfaces und refinementRegions festgelegt werden. Ausgehend von Stufe 0, die keiner Verfeinerung entspricht, teilt jede nachfolgende Verfeinerungsebene die Zelle in 4 Teile.

openfoam

Figure 4:Beispiel für verschiedene Maschenveredelungsstufen.

Zusätzlich werden folgende Elemente festgelegt:

Weitere Details zu diesen Einstellungen finden Sie im Abschnitt castellation and refinement] des OpenFOAM User Guide].

castellatedMeshControls
{
    maxLocalCells 50000000;   // max cells per CPU core
    maxGlobalCells 500000000; // max cells to use before mesh deletion step
    minRefinementCells 0;     // was 0 - zero means no bad cells are allowed during refinement stages
    nCellsBetweenLevels 3;    // expansion factor between each high & low refinement zone

    // Explicit feature edge refinement
    // ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

    features // taken from STL from each .eMesh file created by "SurfaceFeatureExtract" command
    (
      {file "Air.eMesh"; level 0;}
      {file "Concrete-sides.eMesh"; level 0;}
      {file "Gravel-bottom.eMesh"; level 0;}
      {file "Inlet.eMesh"; level 0;}
      {file "Obstacle.eMesh"; level 0;}
      {file "Outlet.eMesh"; level 0;}
    );

    // Surface based refinement
    // ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

    refinementSurfaces // Surface-wise min and max refinement level
    {
      Air {level (0 0);}
      Concrete-sides {level (1 3);}
      Gravel-bottom {level (2 3);}
      Inlet {level (1 3);}
      Obstacle {level (3 3);}
      Outlet {level (2 3);}
    }

    resolveFeatureAngle 30;  // Resolve sharp angles // Default 30
    refinementRegions        // In descending levels of fineness
    allowFreeStandingZoneFaces true;
}

In dem im obigen Beispiel gezeigten Abschnitt refinementSurfaces wurden für jedes konstituierende Element unterschiedliche Veredelungsstufen festgelegt. Ein detailliertes Beispiel der resultierenden Ausgestaltung für die Schotterboden- und Hinderniselemente ist im Folgenden dargestellt.

openfoam

Figure 5:Resultierende Verfeinerung der Obstacle- und Gravel-Bottom-Elemente, aus denen das Netz besteht.

Sobald der Feature- und Oberflächenaufteilungsprozess abgeschlossen ist, findet der Zellentfernungsprozess statt. Letzteres erfordert einen oder mehrere Bereiche, die vollständig von einer zur Domäne gehörenden Begrenzungsfläche umhüllt sind. Um die Region anzugeben, in der die Zellen gehalten werden müssen, muss das Schlüsselwort locationInMesh definiert werden. Dieser Vektor definiert einfach die Region, die beibehalten werden möchte.

locationInMesh (43.359 5 2.5803);  // to decide which side of mesh to keep **

Einrasten

Nach Abschluss der Zellteilung und Zellentfernung kann der Snapping-Prozess stattfinden. Diese Aufgabe befasst sich mit dem Bewegen der Zellscheitelpunkte auf der Oberfläche, um ein konformes Netz zu erzeugen, dh die Eingabegeometrie anzupassen. Hier ist eine Liste der zu setzenden Keywords:

// Settings for the snapping.
snapControls
{
    nSmoothPatch    3;
    // nSmoothInternal $nSmoothPatch;
    tolerance       1.0;
    nSolveIter      600;
    nRelaxIter      5;

    // Feature snapping

        nFeatureSnapIter 10; // default is 10
        implicitFeatureSnap false; // default is false - detects without doing surfaceFeatureExtract
        explicitFeatureSnap true; // default is true
        multiRegionFeatureSnap true; // default is false - detects features between multiple surfaces
}

Schichtung

Für den Fall, daß einige unregelmäßige Zellen entlang der Grenzen in dem mit der Schnappstufe erhaltenen Netz vorhanden sind, ist es möglich, zusätzliche Schichten aus hexaedrischen Zellen entlang der Grenze einzubringen. Diese Phase beinhaltet das Schrumpfen des vorhandenen Netzes, um die Zellschicht einzufügen.

Benutzer können zwischen 4 verschiedenen Schichtdickenparametern wählen: expansionRatio, finalLayerThickness, firstLayerThickness, dicke. Geben Sie in diesem Beispielfall nur zwei an, um eine Überspezifikation des Problems zu vermeiden. Die einzustellenden Parameter haben folgende Bedeutung:

Weitere Details finden Sie im Abschnitt Layer addition] des OpenFOAM User Guide].

// Settings for the layer addition.

addLayersControls 
//add the PATCH names from inside the STL file so STLpatchName-insideSTLName
 {
    relativeSizes false; 
    layers
    {
    }

    expansionRatio 1.0;
    finalLayerThickness 0.3; 
    minThickness 0.25; 
    nGrow 0; 

    // Advanced settings

    featureAngle 150;
    nRelaxIter 3;
    nSmoothSurfaceNormals 50;
    nSmoothNormals 3;
    nSmoothThickness 10; 
    maxFaceThicknessRatio 0.5; 
    maxThicknessToMedialRatio 0.3; 
    minMedianAxisAngle 90; 
    nBufferCellsNoExtrude 0;   
    nLayerIter 50; 
    NnRelaxedIter 20;
 }

Mesh Qualitätskontrollen

The final part of the snappyHexMeshDict file deals with the Mesh Quality. In this section, the values of the extrema encountered during the meshing process are defined. The purpose is to ensure an adequate quality of the resulting mesh. A comprehensive overview on the meaning of the mesh quality parameters can be found at https://simscale.com/docs. The OpenFOAM keywords defining mesh quality parameters are (with highlighting of the most important, and somewhat important parameters):

// Generic mesh quality settings

meshQualityControls
{
    maxNonOrtho 65;         // consider to set a limit of 45 deg
    maxBoundarySkewness 20; 
    maxInternalSkewness 4;  // however, skewness should not exceed 0.5
    maxConcave 80;
    minVol 1e-13;
    minTetQuality 1e-15;
    minArea -1;
    minTwist 0.02;
    minDeterminant 0.001;
    minFaceWeight 0.05;
    minVolRatio 0.01;
    minTriangleTwist -1;

    // Advanced
    nSmoothScale 4;
    errorReduction 0.75;
}

debug 0;

mergeTolerance 1E-6;

Run Meshing (blockMesh)

Sobald die notwendigen Schlüsselwörter in den erforderlichen Wörterbüchern definiert sind, besteht der letzte Schritt darin, Befehle** im Terminal in folgender Reihenfolge auszuführen:

user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ blockMesh
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ surfaceFeatures
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ decomposePar
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ mpirun -np x snappyHexMesh -parallel

Alternativ:

user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ snappyHexMesh
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ reconstructParMesh -constant
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ checkMesh
  Checking topology...
    Boundary definition OK.
    Cell to face addressing OK.
    Point usage OK.
    Upper triangular ordering OK.
    Face vertices OK.
    Number of regions: 1 (OK).

  Checking patch topology for multiply connected surfaces...
                   Patch    Faces   Points                  Surface topology
                     Air    12879    13927  ok (non-closed singly connected)
          Concrete-sides   103621   109304  ok (non-closed singly connected)
           Gravel-bottom   132062   136819  ok (non-closed singly connected)
                   Inlet      288      339  ok (non-closed singly connected)
                Obstacle    27076    27416  ok (non-closed singly connected)
                  Outlet    20610    21252  ok (non-closed singly connected)

  Checking geometry...
    Overall domain bounding box (-2.5 -1e-06 -1) (56.7409 10 6.2461)
    Mesh has 3 geometric (non-empty/wedge) directions (1 1 1)
    Mesh has 3 solution (non-empty) directions (1 1 1)
    Boundary openness (-5.71676e-15 7.42351e-15 8.33816e-16) OK.
    Max cell openness = 4.76547e-16 OK.
    Max aspect ratio = 7.03771 OK.
    Minimum face area = 3.89097e-05. Maximum face area = 0.0910262.  Face area magnitudes OK.
    Min volume = 2.62118e-06. Max volume = 0.0180894.  Total volume = 2271.44.  Cell volumes OK.
    Mesh non-orthogonality Max: 47.7783 average: 6.72481
    Non-orthogonality check OK.
    Face pyramids OK.
    Max skewness = 3.12739 OK.
    Coupled point location match (average 0) OK.

  Mesh OK.

  End
user@user123:~/OpenFOAM-9/channel/Mesh$ paraFoam

Mesh Visualisierung

Um das generierte Mesh in ParaView zu visualisieren, wählen Sie im Abschnitt Eigenschaften die Option Anwenden aus.

openfoam snappyHexMesh paraFoam

Figure 6:Visualisierung des resultierenden Mesh in ParaView.

Das Bild unten zeigt einige Funktionen, die erforderlich sind, um das erstellte Mesh angemessen zu visualisieren. Um die Zellen zu analysieren, ist es insbesondere möglich, die Option *Oberfläche mit Edges * auszuwählen. Die verschiedenen Elemente, aus denen das Netz besteht, können dann ausgewählt / ausgewählt werden, um bestimmte Teile im Detail zu analysieren. Schließlich, in dem Fall, in dem der Mesh Check Fehler zurückgegeben hat, zum Beispiel mit einer hohen Schieflage konfrontiert ist, können sie durch die Auswahl der Option *Include Sets * visualisiert werden.

openfoam snappyHexMesh paraFoam

Figure 7:Visualisierung des resultierenden Mesh in ParaView, Hervorhebung der erstellten Zellen.

Numerische Simulationen
Multiphase Solver (interFoam Tutorial)
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Fallaufbau