梁荣亮 过学迅 陈 见
武汉理工大学
摘要Gambit是面向专业计算流体力学(CFD)软件的前处理器，具有建模与强大的网格划分功能。文章采用TGrid对液力缓速器流道生成高质量的混合网格，提高后续流体数值模拟的计算精度。
主题词 液力缓速器 网格划分 计算
0 引言
计算流体力学(CFD)的发展，在很大程度上依赖于网格生成技术的发展，网格划分的质量很大程度上决定着数值模拟结果的精确程度。但随着所需解决问题的逐步复杂，物体的绕流边界变得不规则，对网格生成技术的要求也越来越高。常用的传统统一贴体网格划分技术已不能适应这一不断发展的需求。为了更好地数值模拟粘性绕流的边界层效应，近年来又进一步发展了结构／非结构混合网格技术。
1 Gambit网格划分方法
Gambit是面向Fluent、Fidap、Polyflow、Ansys等专业CFD软件的前处理器，具有强大的网格划分功能，可以划分出包含边界层的CFD特殊要求的高质量结构化和非结构混合网格。特别是对于具有复杂边界外型的流场，Gambit会自动选择最合适的网格划分算法，快速生成高精度的非结构混合网格。
Gambit允许在网格划分操作中指定任何体，何种网格划分方案能应用于选择体，则决定于体的拓扑特性、形状，以及体的面上的顶点类型。Gambit网格划分方案需要设定以下两个参数：元素是用于定义选择体网格元素的形状；类型是定义网格划分算法，因此也决定了体中所有网格元素的模式。
每个元素选项都有一个或多个特定的类型选项相对应，如表1所示。
由于TGrid非结构化网格不受坐标线的限制，节点和单元的分布可控性好，网格分布非常自由，对于具有复杂边界结构的流场模型，是一种高精度的网格划分方法。它较之结构网格有如下优点：
(1)优越的几何灵活性，可以拟合任意的复杂边界外型；
(2)其随机的数据结构有利于进行网格自适应；
(3)其生成过程不需要求解任何方程。
TGrid创建的网格元素主要是4面体网格元素，但也可能包含其它形状的网格元素。并不拘泥于单一的划分形式，可考虑将几种网格划分方法混合使用。根据实体模型各部位的特点，以形成综合效果尽量好的网格。混合网格划分方式要在计算精度、时间、建模工作量等方面进行综合考虑。对适合于扫掠和映射网格划分的区域首先考虑划分6面体网格，这种网格既可以是线性的、也可以是二次的，如果无合适的区域，应尽量通过切分等多种布尔运算手段来创建合适的区域。对实在无法再切分而必须用4面体自由网格划分的区域，采用带中节点的6面体单元进行自由分网，自动退化成适合于自由划分形式的单元。此时，在该区域与已进行扫掠或映射网格划分的区域的交界面上，会自动形成金字塔过渡单元。
2 液力缓速器流道网格生成技术
2.1 液力缓速器结构与工作原理
液力缓速器主要由动轮、定轮、快速充放油机构、减少泵气损失机构等组成，如图1所示。动轮和定轮共同组成循环圆工作腔，如图2所示。工作轮在结构上与液力耦合器类似，其转子相当于液力耦合器的泵轮，随驱动轴转动，而定子相当于液力耦合器的涡轮，固定在壳体上不转动。液力缓速器工作时，工作腔中充油，油液在转子叶片带动下在工作腔中循环冲击，动量矩发生变化，产生制动力矩，将旋转机械的机械能转化为工作液体的热能，通过散热机构将热量带走。液力缓速器的制动性能是各种结构参数综合作用的结果，其中影响较大的是循环圆形状、叶片角度、叶片数目、进出油口的位置等参数。
2.2 液力缓速器流道模型
液力缓速器工作流道由定轮与动轮之间的区域以及各叶轮之间的无叶片区域构成，假定同一叶轮内的每个流道的流场特性相同，这样在液力缓速器流道内的流动情况以旋转轴为轴对称，所以每个叶轮只需选取一个流道空间作为计算区域。从流道中间面割取，叶片被完全包罗在割取的流道中，在流道中间位置处设置周期性边界。液力缓速器单元流道几何模型如图3所示。
2.3 液力缓速器流道网格生成
将单元流道几何模型通过parasolid格式文件导人Gambit，如图4所示。对于液力减速器流道这种带有叶片的回转体结构，尽管可以用扫掠的方式生成全6面体网格，但周期性边界对周期性边界面之间的网格节点无法满足一致性、连续性的要求。为了节省计算资源以及提高计算效率，根据液力缓速器轴对称特征，使用周期性边界条件将其抽象为单流道模型，并使用适应性较强的TGrid混合网格进行网格划分，生成的液力缓速器单元网格流道如图5所示。通过轴对称圆周阵列进行还原，得到液力缓速器完整的网格流道，如图6所示。
2.4 流道网格质量检查
液力缓速器单元流道网格检查如表2所示。流道网格单元共计216 487个，其中转子流道、定子流道的单元分别是147 978和68 509。
综合考虑细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量来衡量网格划分质量，用数字0—1来表示网格单元的失真值，由上表可知液力缓速器单元流道91.61％的网格单元的失真值低于0.5，满足计算过程中收敛速度和计算结果的精度要求。
3 结语
Gambit作为CFD分析中最好的前置处理器，具有强大的网格划分能力，根据不同的物理模型来自动选择合适的网格，使网格更好地适应曲面边界，对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的非结构化混合网格。文章介绍了采用TGrid混合网格划分液力缓速器不规则流道的方法，并经网格质量检查，流道网格满足后续流体数值模拟所需要的高质量、高精度要求。
