计算流体力学ICEMCFD网格生成基础指导教程

第一章介绍
ICEM CFD 工程
Tutorials目录中每个工程是一个次级子目录。

每个工程的目录下有下列子目录：import, parts, domains, mesh, 和transfer。

他们分别代表：
• import/: 要导入到ICEMCFD中的集合模型交换文件，比如igs，STL等；
• parts/: CAD模型
• domains/: 非结构六面体网格文件(hex.unstruct), 结构六面体网格分区文件(domain.n), 非结构四面体网格文件(cut_domain.1)
• mesh/: 边界条件文件(family_boco, boco)，结构网格的拓扑定义文件(family_topo, topo_mulcad_out), 和Tetin几何文件(tetin1).
• transfer/: 求解器输入文件(star.elem), 用于Mom3d.的分析数据
mesh目录中Tetin文件代表将要划分网格的几何体。

包含B-spline曲面定义和曲线信息，以及分组定义
Replay 文件是六面体网格划分的分块的脚本
鼠标和键盘操作
鼠标或键盘操作功能
鼠标左键点击和拖动旋转模型
鼠标中键点击和拖动平移模型
鼠标右键点击和上下拖动缩放模型
鼠标右键点击和左右拖动绕屏幕Z轴旋转模型
F9 按住F9，然后点击任意鼠标键进行操作的时候进行模型运动
F10 按F10 紧急图象Reset
第二章ICEM CFD Mesh Editor界面
The Mesh Editor, 创建修改网格的集成环境，包含三个窗口
• The ICEM CFD 主窗口
• 显示窗口
• The ICEM CFD 消息窗口
主窗口
主窗口中除了图形显示区域，外，还有6个radio按钮：File, Geometry, Meshing, Edit Mesh and Output. The File Menu
The File menu 包含
• Open, Save, Save as, Close, Quit, Project dir, Tetin file,
Domain file, B.C file, Import geo, Export geo, Options, Utilities,
Scripting, Annotations, Import mesh, DDN part.
The Geometry Menu
The Geometry menu 模型修补和编辑，边界条件的设置，调用ICEM CFD DDN。

它包含
• DDN tools, Bound conds, Repair, Utilities, Global setup.
模型编辑模式，由一排彩色radiobuttons控制
• Surface, Curve, Point, Material, Density, Loop.
它们又分别具有次级菜单
• Create, Delete, Modify, Mesh params, Change family,
Copy/move.
The Meshing Menu
The meshing menu 包含ICEM CFD各种网格划分模块。

只有用户拥有楼阁模块的license，他才可以使用这个模块。

目前ICEMCFD提供下列模块：
• Hexa, Tetra, Global, Prism, Quad, AutoHexa, Mulcad/Padamm,
P-Cube
按不同的按钮会调用不同的模块。

The Edit Mesh Menu
The Edit Mesh menu包含必要的网格编辑功能, 粗化、平滑合并等。

具体的操作有：
• Copy/move, Smooth, Refine, Coarsen, Merge, Extrude,
Diagnostics, Uncouple, Bandwidth, Change type, Change
family, Utilities, Edit nodes, Edit elements, Edit edges, Edit
Blocks, Edit subfaces, Repair
The Output Menu
The Output menu针对不同求解器进行边界条件的设置。

此外用户可以调用Mom3d 和Visual3 进行网格自适
应和可视化。

可使用的功能有：
• Select solver, Bound conds, Solver params, Solver input,
Run solver, Visual3, Mom3d, RAMM-ICE
Note: The ICEM CFD 后处理模块Visual3, 网格优化模块Mom3d, 以及与RAMM-ICE的内燃机网格接口必须有另外的license
The Utilities Cluster
这些功能都位于主窗口的右上角：
• Help: connects the user to the ICEM CFD on-line help
• Orient: 控制显示坐标
• View: 定制显示属性
• Undo: 操作反悔
• Redo: 撤销反悔
• Print: 打印
• Shell: 调用一个X-Term命令窗口
显示窗口
The display window, 处于屏幕右边, 允许控制按照family, geometric entity, element
type and user-defined subsets来显示.
Important: Since some functions are performed only on the entities
shown, the Display window is a very important feature to use when
isolating the particular entities to be modified.
Families
Color-coded and customizable, display by family, as defined in the
mesher interface, is available in this window.
Geometry
When this button is toggled on, the user has control over the
display of geometric entities. The Opts button beside for each
entity type allows control over the display characteristics.
Note: Based on the domain file chosen, this toggle button will
either be labeled “unstructured” or “structured,” or be absent
altogether if no domain file is specified.
• Structured or Unstructured: Aside from display of the mesh
based on element type, for even greater power, ICEM CFD
allows the user to create custom subsets; the careful display of
which allows a great deal of control in the mesh operations.
• Display Subset: This toggle button allows you to define subset
of your model based on a set of numerous attributes, including
element type, screen selection, coordinate position, etc.
第三章ICEM CFD Tetra四面体网格划分器
这是Tetra生成的棱拄和四面体混合网格，包含55万四面
体网格和12层33万棱拄网格
介绍
Tetra采用8叉树算法来对体积进行四面体填充并生成表面网格。

用户必须事先规定一些关键的点和曲线。

Tetra 具有强大的网格平滑算法，以及局部适应性加密和粗化算法。

对于复杂模型，ICEM CFD Tetra具有如下优点:
• 基于8叉树算法的网格生成
• 快速模型set-up
• 网格与表面拓扑独立
• 无需表面的三角形划分
• 可以直接从CAD模型和STL数据进行网格生成
• 对CAD surfaces and/or STL Representation定义网格尺寸
• 控制体积内部的网格尺寸
• 四面体的节点和曲线与事先的规定匹配
• 采用Natural size 单独的决定几何特征上的四面体网格尺寸
• 体积网格和表面网格的平滑、节点合并和边交换
• 四面体网格能够合并到混合网格中，并实施平滑操作
• 单独区域的粗化
• Enforcement of mesh periodicity, both rotational and translational
• 表面网格编辑和诊断工具
• 局部细化和粗化
• 为多种材料提供一个统一的网格
• 快速算法: 1500 cells/second
ICEM CFD Tetra的输入
ICEM CFD Tetra的输入方法有：
• Sets of B-Spline curves and trimmed B-Spline surfaces with
prescribed points
• Triangular surface meshes as geometry definition
B-Spline曲线和曲面当B-spline曲线和曲面输入后，采用线段和三角形对曲面和曲线进
行近似，并在预先规定的点上设置顶点。

B-Spline曲线允许Tetra 处理表面上的间断。

如果在表面的边
界上没有定义曲线，Tetra划分的三角形会自由的越过间断。

而预先规定的点会使得它认出曲线上尖锐的拐弯。

Tetra
中有工具来自动的在尖锐的特征上获取点和曲线。

三角形表面网格对于三角形表面网格，关键点和曲线能够自动的被识别。

虽然Tetra
生成的网格上的节点不完全和原始的网格重合，但是它会符合模
型的形状。

这对于从别的网格数据或者立体扫描数据中导入几何
模型是很有用处的。

ICEM CFD Tetra中的智能几何
ICEM CFD的CAD接口，保留有CAD几何模型的参数化描述，网格可以在修改过的几何模型上重新生成。

在CAD 中选中被导入的模型带有附加的信息，它们与主几何模型一起存储，几何模型的参数改变后，用户要重新生成网格只需简单的File > Save，就可以立即进行非结构四面体网格重新计算。

八叉树算法
Tetra网格生成是基于如下的空间划分算法：这种算法需要的区域保证必要的网格密度，但是为了快速计算尽量采用大的单元。

1. 在几何模型的曲线和表面上规定网格尺寸
2. 构造一个初始单元来包围整个几何模型
3. 单元被不断细分来达到最大网格尺寸（每个维的尺寸按照1/2分割，对于三维就是1/8）
4. 均一化网格来消除悬挂网格现象
5.构造出最初的最大尺寸单元网格来包围整个模型
6.节点调整以匹配几何模型形状
7.剔除材料外的单元
8.进一步细分单元以满足规定的网格尺寸要求
9. 通过节点的合并、移动、交换和删除进行网格平滑
Family设置, Material Points, 预先规定Points
在ICEMCFD中可以对几何模型中的各种几何元素进行分组，形成不通的families。

这样允许用户对不通的families 进行不同的参数设置。

除了对不通families设置边界条件，用户还可以对每个family定义控制网格尺寸的参数：maximum length, initial height, and height ratio。

此外还可以对单独的曲线和表面定义网格尺寸参数。

这样通过预先规定的网格尺寸参数，用户可以控制四面体节点和关键区域的边的位置。

如上面的八叉树算法已经描述的，当网格划分器调整网格节点以匹配几何模型外形时，它首先匹配预先规定点和曲线。

在单元剔除步骤，Tetra要求在每个需要进行分析的不同材料内定义一个material point。

对于CFD，material point可以来定义流体区域；对于结构有限元分析，可以来定义固体区域；或者对于耦合传热问题，用来定义两种区域。

ICEM CFD Tetra重要特性
Natural Size如果对一个family定义的最大四面体尺寸比某个成员几何元素大，用户必须使用
natural size限制。

The user can specify a natural size
that is proportional to the reference tetra size; it should be assigned
a value that is slightly smaller than the smallest gap in the model,
so that the mesher will further subdivide the tetrahedra to match
this geometric feature.
The natural size limit 将是整个网格中的最小尺寸。

Only if the user defines a
smaller max size on a geometry entity will Tetra continue to subdivide until meeting
the maximum size request. The effect of the natural size limit is a
geometry-based adaptation of the mesh.
Tetrahedral Mesh Smoother the tetrahedral smoother计算每个单元的质量。

然后根据用户指定的质量要求进行平滑。

Smoother修改所有不符合标准的单元——节点被移动、合并，边被交换，或者单元
被删除。

如此重复直到满足要求或者达到一定的迭代次数。

有时候用户不愿对某个family进行网格平滑，ICEM CFD Tetra 提供fix_families
功能来指定某个family保持不变。

此外，另外一个相似的功能fix_prisms，用来排除
棱拄单元的平滑。

Tetrahedral Mesh Coarsener Coarsening和smoother的过程相似。

此外也可以采用fix_families来排除某个family的
coarsen操作。

如果coarsen操作中，size_check选项打开，得到的网格在所有几何元素上会满足预设的
尺寸标准。

而且Tetra包含了完全的投影projection和smoothing工具tools，以及单元创
建、删除、分裂、交换和uniform enforcement of orientation.
Triangular
Surface Mesh
Smoother
In the interest of minimizing grid points, the coarsener reduces the
number of triangles in a mesh by merging triangles. This operation
is based on the maximum deviation of the resultant triangle center
from the surface, the aspect ratio of the merged triangle, and the
maximum size of the merged triangle.
Triangular
Surface Editing
Tools
ICEM CFD Tetra 提供交互式网格编辑功能，可以实现节点在几何模型表面的移动、
合并或者删除。

三角形单元可以被单独的分割和标记以不同的名称，并进行质量检
查以进行评价。

表面网格诊断工具允许用户快速填充表面网格中的“洞”，查找重叠的三角形和non-
manifold顶点以及detection of single/multiple edge and duplicate elements.
Prism Layer Offset对于支持非结构四面体和棱拄混合网格的求解器来说，ICEM CFD Tetra 的一个独
特功能Prisms 能够在壁面附近产生偏移的棱拄层网格。

Mesh Periodicity采用周期性网格ICEM CFD Tetra 网格能够很好的适应叶轮机问题的分析。

第三章四面体网格划分示范1：三维管道回合
figure 3.1.1
本示范介绍的操作有：
Geometry
• 设置网格参数Mesh params >Model 和Mesh params > Families.
Meshing menu
• 自动网格生成和平滑Tetra > Batch from CAD
Edit mesh menu
• 检查网格质量Diagnostics.
打开工程
打开File > Open，选择Select project，选择3DpipeJunct project，再选择tetin1。

如果出现一个提示窗口要求加载一个domain，则选择Cancel 来开始一个新的模型。

生成四面体网格
定义family
1 如果families还未定义，那么首先需要对几何模型的不同区域分类以创建family。

最初整个几何模型被设置为
一个family，名称为GEOM。

我们将按照figure 3.1.1所示来修改family设置。

表面family有INL, OUT, CYL1, CYL2, and SYM。

2 选择Geometry > Surface> Change family.来修改family设置
3 用鼠标左键选择某个表面，用鼠标中键确认选择，然后会出现一个family设置窗口。

或者为所选择的面选择一个已经存在的family，或者在New family中输入一个新的名称来为这个（些）面创建一个family
4 一旦所有的surface被设置重新命名，采用相似的操作继续对Curves, Points, 和Materials 进行设置。

5 在Geometry > Curve> Change family几何模型中所有的曲线将被设置为CUR。

用户可以按住鼠标左键拖动进行box-select。

6 所有的点放在PTS family中。

注意将光标放在主窗口中，按"v"键，则可以选择
所有点元素。

定义Material点
1 模型的material将被设置为LIVE family。

它处于圆柱的内部。

2 选择Geometry > Material > Create > Screen midpoint.
3 在Select family 窗口中, 输入LIVE 作为New family 名称，按Accept 接受
4 用鼠标左键在圆柱上选择两个相对的顶点，然后按鼠标中键确认。

LIVE 应该
在几何模型的内部。

旋转模型以确认它确实在体积内部。

5 要删除空的families，在Display菜单中选择Families > Edit，点击Delete
unused。

这样列表中的无用family会自动清除。

按Accept关闭这个窗口。

设置网格参数
1 要确认Surfaces 和Curves 都已经被toggled on, 在display窗口的分别按Surfaces 和Curves的Opts > Tetra sizes，四面体形状的图标就会显示在几何模型上。

2 这时用户可以用Mesh params > Model 来修改整个模型的网格尺寸（右图）。

将Reference size设置为5，
size
不同Reference size的效果
3
注意改变Reference size 并按Apply 会改变几何模型上的四面体图标的尺寸。

Surface>Mesh params > Families。

用户就可以从Select
family窗口中选择family（如图）。

本示范中选择CYL2 然后
按Accept。

CYL2 对应的表面就会以加亮显示。

5 在Surface family mesh params 窗口中(如图)，对Size
指定为0.5，其他参数为0，因为Tetra 生成网格时不用这些
参数，只有Hexa用。

选择Show size params using
refsize 会使得按下Apply后参数调整可见。

选择Dismiss 关
闭窗口。

6 当对网格尺寸设置满意后，按File > Save 来存储。

Running the Tetra Mesh
1. 选择Meshing > Tetra > from CAD/Surface Mesh
来生成四面体网格。

Tetra parameters 窗口将会
出现(如右图);
2. 按照图中设置后，按Mesh进行网格划分。

Message Window将会报告网格划分过程信息。

译者注：这个步骤和PDF文档中所述不相同，原文中的菜单和Tetra parameters窗口与4.2版不太一样。

原文和原图如下：
Choose Meshing > Tetra > Batch from CAD to generate the tetrahedral mesh. The Tetra > Interactive from CAD mode indicates that Tetra will not automatically save the volume mesh (Write volume) or surface mesh (Write surface). The Tetra parameters window will appear (refer to Figure 3.1.4):
最后显示的网格为：
Saving the Mesh
用File > Save >Domain file 存盘
第五章Sphere Cube
一个半球体，内含一个立方体空腔。

图中以标明表面的family名称。

1．打开工程
在Select project 窗口，选择SphereCube工程后，再打开tetin1文件。

3. 生成四面体网格
Family设置
1. 与前面的示范相同，最初所有的表面属于一个family——GEOM。

用户需要按照上图对表面重新创建family
(SPHERE, CUBE, SYM) 。

2. 在Geometry > Surface> Change family菜单中修改family设置。

3. 用鼠标左键选择需要的表面，然后中键确认选择。

在Select family 窗口出现后，或者选择已经存在的
family，或者创建新的family。

4. 本示范中，对于所有的点和曲线，设为一个family, GEOM。

定义Material点
同上个示范一样，material点被设置为单独的family，LIVE。

采用Create > Screen midpoint功能设置material点。

用鼠标左键在半球上选择两个点，按中键确认，LIVE就会出现在模型上。

Reassigning Mesh Parameters
1. 用户必须在网格生成之前设置网格参数。

在Geometry 分类中，
按Mesh Params > Model 来进入Model Mesh Params 窗口。

2. 注意: 为了方便，建议打开Reference size旁边的display选项来显示
标记为ref 的四面体图标。

从Display菜单中，打开Surfaces > Opts
> Tetra sizes和Curves > Opts > Tetra sizes，以显示代表网格尺寸
的图标。

3. 回到Model mesh params 窗口，输入如图参数；
4. 在Mesh params > Families中可以对不通的family设置不同的网格
参数。

对于SYM，按照下图设置。

5．存盘
6．参考第四章选择Meshing > Tetra > from
CAD/Surface Mesh 来生成四面体网格。

在Tetra
parameters 窗口做设置后，按Mesh进行网格划分。

Message Window将会报告网格划分过程信息。

译者注：原PDF文档所述与此不同。

ICEMCFD4.2版的
Tetra parameters 窗口中无法关闭Smoother。

因此在这
里设置Smoother不要做很好的平滑。

以便后面进行平滑
操作的对比更明显。

7. 网格划分好后存盘。