離心泵非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成及應(yīng)用研究.pdf

1、網(wǎng)格是CFD計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算提供高質(zhì)量網(wǎng)格，促進(jìn)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(jī)械部件高質(zhì)量網(wǎng)格的生成提供借鑒。

2、
　　 本文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(duì)離心泵非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成過(guò)程中存在的問(wèn)題展開(kāi)研究，在理論分析、算例驗(yàn)證、數(shù)值模擬和試驗(yàn)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(diǎn)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(guó)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(diǎn)闡述了現(xiàn)有網(wǎng)格質(zhì)量衡量準(zhǔn)則、空間曲

3、面和三維實(shí)體網(wǎng)格劃分以及網(wǎng)格優(yōu)化算法存在的主要問(wèn)題。歸納了離心泵內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬干擾因素的研究成果。此外，還對(duì)離心泵內(nèi)部流動(dòng)PIV測(cè)量做了較為全面的概括。
　　 2.在對(duì)比分析不同造型方法對(duì)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(jì)算域各過(guò)流部件的造型方法，并基于VC6.0軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及Pro/TOOLKIT，通過(guò)建立尺寸變量驅(qū)動(dòng)的三維實(shí)體模板，開(kāi)發(fā)了離心泵全計(jì)算域三維參數(shù)化自動(dòng)造型及裝配軟件P3D。同

4、時(shí)，為了完成設(shè)計(jì)參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)傳遞，采用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)通信方式調(diào)用MFC，設(shè)計(jì)了直觀易用的可視化交互界面。實(shí)例表明，程序運(yùn)行效果良好，能大幅提高工作效率。
　　 3.為增強(qiáng)評(píng)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(jìn)行比較，結(jié)果表明新準(zhǔn)則在對(duì)劣質(zhì)單元、單元形狀變化的評(píng)判以及判別網(wǎng)格質(zhì)量所耗費(fèi)時(shí)間方面都顯示出了較好的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合彎管數(shù)值計(jì)算和PIV試驗(yàn)，探討了構(gòu)建網(wǎng)格獨(dú)立

5、解的方法。同時(shí)，采用新準(zhǔn)則和其它3種準(zhǔn)則，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量衡量準(zhǔn)則與計(jì)算精度的關(guān)系進(jìn)行了深入分析。研究表明，在計(jì)算誤差為Ere>0.15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(píng)判出對(duì)計(jì)算精度影響較大的劣質(zhì)單元。
　　 4.針對(duì)離心泵空間曲面網(wǎng)格生成過(guò)程中映射畸變問(wèn)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(lái)生成參數(shù)域的背景網(wǎng)格，且在對(duì)參數(shù)域內(nèi)背景網(wǎng)

6、格進(jìn)行加密時(shí)，為了抵消映射過(guò)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(diǎn)內(nèi)核。該方法通過(guò)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(shí)例表明，算法易于實(shí)施，穩(wěn)定性好且生成的曲面網(wǎng)格質(zhì)量較高。
　　 5.針對(duì)三維實(shí)體網(wǎng)格Sliver單元消除問(wèn)題，在歸納分析加密消除Sliver單元算法原理的基礎(chǔ)上，對(duì)一種較優(yōu)的消除算法進(jìn)行了改進(jìn)，優(yōu)化了其判斷Sliver單元的方法，并通

7、過(guò)保證插入新點(diǎn)后不產(chǎn)生細(xì)小Sliver單元的方式，解決了原方法對(duì)于插入點(diǎn)位置要求過(guò)于苛刻的問(wèn)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(duì)網(wǎng)格優(yōu)化過(guò)程中邊界網(wǎng)格質(zhì)量難以控制的問(wèn)題，提出了一種基于優(yōu)化算法的光順(Optimization-based smoothing，OPS)。對(duì)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(duì)OPS優(yōu)化效果的影響，選用一種最優(yōu)的目標(biāo)函

8、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(xiàng)，且為函數(shù)項(xiàng)添加了一個(gè)權(quán)重系數(shù)C，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部和邊界處網(wǎng)格單元質(zhì)量的同時(shí)控制。通過(guò)實(shí)例驗(yàn)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(duì)OPS算法本身固有的無(wú)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?fù)鋬?yōu)化的網(wǎng)格質(zhì)量提高策略，該方法通過(guò)判別“全邊界單元”中邊(或面)被相

9、鄰單元共享的形式，而采用不同的拓?fù)浣粨Q方式，且在拓?fù)浣粨Q過(guò)程中僅考慮優(yōu)化后網(wǎng)格的拓?fù)湎嚓P(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(jì)算與PIV試驗(yàn)方式驗(yàn)證四面體網(wǎng)格生成算法的有效性。選取16臺(tái)不同比轉(zhuǎn)數(shù)的離心泵，探討了不同計(jì)算域、湍流模型、進(jìn)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(duì)數(shù)值計(jì)算的影響，以確定最佳數(shù)值計(jì)算方法。在

10、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(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與離心泵PIV試驗(yàn)進(jìn)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(duì)于外特性而言，兩套網(wǎng)格計(jì)算的揚(yáng)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(cè)精度更高；對(duì)于內(nèi)流場(chǎng)而言，兩套網(wǎng)格都與試驗(yàn)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(wú)論是在預(yù)測(cè)離心泵內(nèi)部流動(dòng)趨勢(shì)還是在數(shù)值上都要好于商