叶轮结构化网格划分优化方案

1）创建工作目录：打开ICEM，单击【File】→【Change Working Dir…】，如图3-60所示，弹出如下对话框如图3-61所示，自定义工作目录。

图3-60 自定义工作目录选项图

图3-61 设置工作目录对话框

2）新建文件：单击【File】→【New Project…】，创建叶轮网格文件impeller.prj。

3）导入单流道叶轮stp格式的几何文件：单击【File】→【Import Geometry】→【STEP/IGES】，如图3-62所示，弹出如下对话框，如图3-63所示，选择文件并打开。

图3-62 导入stp文件选项

图3-63 选择文件对话框

导入叶轮的单流道几何文件，如图3-64所示。至于切分单流道是如何实现的，可以参考Pro/E、Solidworks和UG等三维造型软件的教程。这些专业软件来切分叶轮单流道操作较为简单，因此本书此处就不再赘述。

4）自动创建几何拓扑：单击【Geometry】标签，选择【Repair Geometry】，然后在左下侧的窗口中单击【Build Diagnostic Topology】，在下方的【Tolerance】输入框中输入相应值0.1，该值可以接受程序默认值，读者也可以自行调整，直到几何边界线Curves都呈现红色或蓝色（红色为两个表面共有，蓝色为至少三个表面共有），当有黄色线显示时表明几何曲面不封闭，需要修复或者调整【Tolerance】值。最后单击【Apply】按钮，具体过程如图3-65所示。

图3-64 离心泵叶轮单流道模型

图3-65 创建几何拓扑

5）创建体，体命名为IMPELLER，单击【Geometry】标签，选择【Create Body】，然后在左下侧窗口中的【Part】输入框中输入几何体名IMPELLER，单击【Material】，Loca-tion选择【At specified point】，然后选择体上的一个点，最后单击【Apply】按钮，创建过程及创建结果如图3-66所示。

图3-66 创建体

图3-67 创建Part

6）创建Part，即定义周期面、边界面以及交界面。

首先定义周期面：右键单击【Parts】，再选择【Create Part】命令，如图3-67所示。在窗口左下侧的【Part】输入框中输入周期面【PERIC】，然后单击下面的【Create Part by Se-lection】，在右侧窗口中单击单流道叶轮的周期面，如图3-68所示，单击【Apply】按钮。

以同样的方法定义单流道叶轮进口、出口、前盖板、后盖板以及叶片，并分别命名为IMPTOSUC、IMPTOVOL、SHROUD、HUB和BLADE，如图3-69所示。

7）创建初始网格拓扑结构，如图3-70所示。单击【Bloc-king】标签，选择【Create Block】，在左侧选项栏里，单击【Initialize Blocks】，然后选择并单击下方的【Select geometry】，在右侧窗口中选中叶轮进口的两个交界面IMPTOSUC，单击鼠标中键或单击左下侧的【Apply】按钮，程序生成叶轮的初始网格拓扑结构，如图3-70中的黑色线框所示。

图3-68 创建周期面

图3-69 定义边界面

图3-70 创建初始网格拓扑结构

8）定义网格周期性：本例中是单流道叶轮，其网格需要旋转复制才是完整流道的网格，因此需要定义网格周期性，来用于拓扑的定义和网格的复制操作。具体操作如图3-71所述，单击【Mesh】标签，选择【Global Mesh Setup】，在左侧选项栏里，单击【Set up Pe-riodicity】，然后在【Periodicity Type】下勾选【Rotational periodic】；接着在【Rotational axis】的【Method】中选择【User defined by angle】；在【Base】输入框中输入周期选择的中心点，本例中的旋转中心点为（0，0，0）；在【Axis】输入框中输入旋转的轴，本例中为（0，0，1）；在【Angle】输入框中输入周期的角度，比如本例中的叶片数为5，周期角度即为360°/5=72°。最后单击下方的【Apply】按钮，完成网格周期性的定义。

图3-71 定义网格周期性

9）初始拓扑结构周期性定义：首先要对步骤8）创建的拓扑结构进行周期性定义，操作如图3-72所示。单击【Blocking】标签，选择【Edit Block】，在左侧选项栏里，单击【Periodic Vertices】，在【Vertices】后单击，然后在右侧窗口中选中图中红色框内的两个拓扑点，结束后再单击选中蓝色框内的两个拓扑点，完成初始拓扑的周期性定义。

图3-72 初始拓扑结构周期性定义

10）初始拓扑结构节点合并：这里要对叶轮中心点处的拓扑节点进行合并操作，这是由于中心点处不存在拓扑边线，只是一个拓扑点，因此要把初始生成的拓扑结构进行调整，把两个拓扑节点进行合并，具体操作如图3-73所示。单击【Blocking】标签，选择【Merge Vertices】，在左侧选项栏里，单击【Merge Vertices】，然后在右侧窗口中单击选中图中红色框内的两个拓扑点，结束后再选中蓝色框内的两个拓扑点，完成初始拓扑结构节点合并操作。

图3-73 初始拓扑结构周期性定义

11）初始拓扑结构的点关联：创建叶轮流道网格之前，首先对初始拓扑结构与叶轮结构进行点关联，有利于下一步拓扑结构的调整，具体操作如图3-74所示。单击【Blocking】标签，选择【Associate】，在左下侧选项栏里，单击【Associate Vertex】，在下方【Vertex】单击，然后在右侧窗口中选中图中红色框内的拓扑点，接着单击左下侧窗口中的，再在右侧窗口中选中红色框内的叶轮结构点，单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Ap-ply】按钮，完成初始拓扑结构的点关联操作。按照上述的操作对其余的拓扑节点进行关联，依次关联到叶轮结构上对应的点，关联后的形状如图3-75所示。

12）初始拓扑结构“Y”block划分：由于叶轮轮毂直径为0，为了避免叶轮进口网格质量负体积，需创建“Y”型block拓扑结构，具体操作如图3-76所示。单击【Blocking】标签，选择【Edit Block】，在左下侧选项栏里，单击【Convert Block Type】按钮，在下方【Type】的选项里选择【Y-Block】，在【Blocks】上单击，然后在右侧窗口中选中初始拓扑结构的Block块，最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成初始拓扑结构的“Y”Block划分的操作。

图3-74 初始拓扑结构关联

图3-75 初始拓扑结构关联结果

图3-76 “Y”型block创建过程

13）叶轮流道主体Block创建：创建完叶轮进口部分的拓扑结构，进而通过调整和拉伸等操作来完成叶轮流道主体Block的创建操作，具体过程如图3-77所示。单击【Blocking】标签，选择【Split Block】并单击，在左下侧选项栏里，单击【Split Block】，在下方【Block Select】中勾选【All Visible】，在【Edge】后单击，然后在右侧窗口中选中Block的边（如图中的红色框内），最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成初始拓扑结构的切分操作。

下面通过拓扑的延伸创建叶轮流道网格的主题Block结构，具体操作如图3-78所示。单击【Blocking】标签，选择【Create Block】，在左下侧选项栏里，单击【Extrude Faces】，在下方【Method】中选择【Fixed distance】，在【Select Faces】后单击，然后在右侧窗口中选中Block的faces（如图中的红色框内）；接着在【Distance】输入框中输入延伸的长度，本例中输入100（读者可以根据模型需要进行调整），最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成初始拓扑结构的延伸操作。延伸后的拓扑如图3-79所示。

图3-77 Block的切分操作

图3-78 Block的延伸操作

图3-79 Block的延伸结果

接下来对延伸的Block进行调整以形成叶轮主流道的拓扑结构，首先进行拓扑的修剪工作，具体操作如图3-80所示。单击【Blocking】标签，选择【Split Block】，在左下侧选项栏里，单击【Split Block】，在下方【Block Select】中勾选【Selected】，在【Block】中单击，然后在右侧窗口中单击选中⑥所标识的Block块（叶轮主题Block的右侧部分）；接着在【Edge】单击，在右侧的窗口中选择⑥标识的Block的边界并在上面单击（如图红色框中的拓扑边界）；最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成叶轮主流道拓扑结构的修剪操作。

图3-80 叶轮主流道Block的修剪操作

最后切除修剪后的Block，删除的部分对应于叶轮的叶片结构部分，删除后保留的是叶轮主流道的拓扑结构，具体操作如图3-81所示。单击【Blocking】标签，选择【Delete Block】，在左下侧选项栏里，在【Blocks】后单击，然后在右侧窗口中单击选中④所标识的Block块（即上一步修剪后的Block），最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成拓扑结构的切除操作。

通过以上几步的操作，完成了叶轮主流道网格拓扑结构的创建。

图3-81 叶轮Block的切除操作

14）叶轮主流道拓扑结构的点关联：下面对叶轮主流道拓扑结构与对应的叶轮结构进行点关联，具体操作如图3-82所示。单击【Blocking】标签，选择【Associate】，在左下侧选项栏里，单击【Associate Vertex】，在下方【Vertex】后单击，然后在右侧窗口中单击选中⑤线所连接的拓扑节点（如图红色圈内的点）；接着在【Point】后单击，在右侧的窗口中选择⑤线所连接的叶轮边线上的点（如图蓝色圈内的点）；最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，按照上述操作依次完成叶轮主流道拓扑结构的点关联操作。点关联后的拓扑结构如图3-83所示。

15）叶轮出口延长段拓扑创建：创建完叶轮主流道拓扑结构之后，进一步创建叶轮出口延长段的拓扑，具体操作如图3-84所示。单击【Blocking】标签，选择【Create Block】，在左下侧选项栏里，单击【Extrude Faces】，在下方【Method】中选择【Fixed distance】，在【Select Faces】后单击，然后在右侧窗口中单击选中Block的faces（如图中的蓝色面）；接着在【Distance】输入框中输入延伸的长度，本例中输入-10，读者可以根据模型需要进行调整，最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成叶轮出口延长段的延伸操作。

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图3-82 叶轮主流道拓扑结构的点关联

图3-83 叶轮主流道拓扑结构的点关联结果

图3-84 叶轮出口延长段拓扑结构创建

进一步延伸出叶轮出口段的周期面，操作与上面相同，延伸后的拓扑结构如图3-85所示。

图3-85 叶轮出口延长段拓扑结构创建

16）叶轮出口段拓扑结构的点关联：该步的操作与上述点关联操作相同，不再赘述，将叶轮出口段拓扑结构的节点与结构对应的点进行关联。

17）叶轮整体拓扑结构的线关联：进行完叶轮拓扑结构的点关联后，进行叶轮整体拓扑结构的线关联。首先关联叶轮出口段拓扑线，具体操作如图3-86所示。单击【Blocking】标签，选择【Associate】，在左下侧选项栏里，单击【Associate Edge to Curve】，在下方【Edges】后单击，然后在右侧窗口中选中⑤所示的红色拓扑线。接着在【Curves】后单击，在右侧的窗口中选择⑦所示的叶轮出口延长段的边线；最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，按照上述操作依次完成叶轮出口延长段拓扑结构的线关联操作。

图3-86 叶轮出口延长段拓扑线关联

接着进行叶轮主流道拓扑的线关联。如图3-87所示，单击【Blocking】标签，选择【Associate】，在左下侧选项栏里，单击【Associate Edge to Curve】，在下方【Edges】后单击，然后在右侧窗口中单击选中⑤下标识的绿色拓扑线；接着在【Curves】后单击，在右侧的窗口中选择⑦所示的叶轮前盖板的边线（如图中黑色线所示）；最后单击鼠标中键或者单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，按照上述操作依次完成叶轮主流道拓扑结构的线关联操作。

图3-87 叶轮主流道拓扑结构的线关联

18）叶轮拓扑适应结构：由于拓扑结构并没有与结构曲面完全贴合，为了后续操作的方便，这一步进行拓扑适应结构操作，操作步骤如图3-88所示。单击【Blocking】标签，选择【Associate】，在左侧选项栏里，单击【Snap Project Vertices】，然后单击【Apply】按钮，拓扑自动适应到结构上去，如图3-88所示。

图3-88 叶轮拓扑适应叶轮结构

19）赋予网格尺寸：首先设定网格的全局尺寸，如图3-89所示。单击【Mesh】标签，选择【Global Mesh Setup】，在左侧选项栏里，在【Max element】选项栏里输入3，单击【Apply】按钮，完成全局网格尺寸赋值。接下来将设定的网格尺寸赋给拓扑结构，如图3-90所示。单击【Blocking】，然后单击【Pre-Mesh Params】，在左下侧的选项栏中选择【Up-date Sizes】，然后单击【Apply】按钮，程序将网格参数赋给了拓扑结构。

20）生成网格：勾选左上侧窗口中的【Pre-Mesh】，如图3-91所示，生成结构网格。

21）修改叶轮拓扑结构：目前的叶轮拓扑结构，经过网格质量检查，网格质量极低。网格质量检查的方法如图3-92所示。单击【Blocking】标签，选择【Pre-Mesh Quality Histo-grams】，在左下侧选项栏里，将【Criterion】选项里选为Determinant 2×2×2，在【Max-Y height】中输入20，单击【Apply】按钮，可以查看结构网格质量。

图3-89 全局网格赋值

图3-90 网格值赋予拓扑结构

图3-91 生成叶轮结构网格

图3-92 查看叶轮结构网格质量

图3-93 进一步切分叶轮拓扑结构

解决这一问题的方法是对拓扑结构进行一定的切分，如图3-93所示。单击【Blocking】标签，选择【Split Block】，在左下侧选项栏里，单击【Split Block】，在下方【Block Select】中勾选【All Visible】，在【Edge】单击，然后在右侧窗口中选中Block的边（如图中⑥下的红色线），最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成初始拓扑结构的切分操作。

图3-94 叶轮拓扑结构自适应

然后对叶轮拓扑进行自适应结构操作，与步骤19）操作一致，不再赘述。生成的拓扑结构如图3-94所示。

接着对叶轮主流道的中线进行手动调整，具体操作如图3-95所示。单击【Blocking】标签，选择【Move Vertex】，在左下侧选项栏里，单击【Move Ver-tex】，在下方【Method】中选择【Sin-gle】，在【Vertex】后单击，然后在右侧窗口中单击选中Block的节点进行拖动（如图中红色圈内的点），最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮。这里需多次拖动，重复生成网格和查看质量的操作，参考步骤22），直到网格质量满足需要。调整后的拓扑结构如图3-96所示，生成网格的质量如图3-97所示。

图3-95 叶轮拓扑点手动调整

图3-96 手动调整后的拓扑结构

图3-97 调整拓扑后的网格质量

22）保存网格：右键单击左上侧窗口中【Model】→【Blocking】→【Pre-Mesh】，选择【Convert to Unstruct Mesh】，如图3-98所示。单击【File】→【Mesh】→【Save Mesh】，保存当前的网格文件。

图3-98 叶轮结构网格转换

23）网格周期复制：由于只做出了一个叶轮流道的网格，要通过周期性复制获得全流道叶轮网格。进行周期复制前，首先要确定周期面上的网格节点是一一对应的，意味着每条拓扑边长度一致，拓扑边上的点位置相同。这个操作分为两个部分，其一是调整周期面上的拓扑线长度一一对应，其二是调整周期面的拓扑线上的网格点数一一对应。

第一步的操作如图3-99所示。单击【Blocking】标签，选择【Move Vertex】，在左下侧选项栏里，单击【Set Edge Length】，在下方【Edges】中单击，然后在右侧窗口中单击选中周期面上的拓扑边（如图中⑤所示的两条边），在【Length】中输入长度值，最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮。接着对⑦、⑧、⑨、⑩和⑪所示的边定义相同的长度，操作方法相同。

第二步的操作如图3-100所示。单击【Blocking】标签，选择【Pre-Mesh Params】，在左下侧选项栏里，单击【Edge Params】，在下方【Edge】后中单击，然后在右侧窗口中单击选中周期面上的拓扑边，如图中⑤所示的边，在【Nodes】中输入拓扑边上的节点数，最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮。接着对⑦、⑧、⑨所示的边定义网格节点数，使得⑤上的节点数等于⑧，⑦上的节点数等于⑨；按照上述操作对其余周期面上的周期边进行网格节点定义，使之一一对应。

图3-99 叶轮拓扑周期边长度定义

图3-100 叶轮拓扑周期边上网格节点数定义

然后生成网格，通过勾选左上侧窗口中的【Pre-Mesh】，生成结构网格。并且右键单击左上侧窗口中【Model】→【Blocking】→【Pre-Mesh】，选择【Convert to Unstruct Mesh】。单击【File】→【Mesh】→【Save Mesh】，保存当前的网格文件。完成生成结构网格的转换。

接下来要对网格的周期面进行删除的操作，具体步骤如图3-101所示。单击【Edit Mesh】标签，选择【Delete Elements】，在左下侧选项栏里，单击，然后在右侧窗口中弹出对话框，在对话框中单击【Select items in a part】，弹出Select part的对话框，在内面勾选【PERIC】周期面，单击【Accept】按钮；最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成叶轮周期面网格的删除操作。删除周期面网格的单流道叶轮网格如图3-102所示。

图3-101 叶轮拓扑周期面网格删除

图3-102 删除周期面网格的叶轮单流道网格

最后对叶轮单流道的网格进行旋转复制，具体操作如图3-103所示。单击【Edit Mesh】标签，选择【Transform Mesh】，在左下侧选项栏里，单击，然后在右侧窗口中弹出Select mesh elements对话框，在对话框中单击【Select all appreciate objects】；然后在左下侧的窗口中，单击【Rotate Mesh】，并且勾选下方的【Copy】，且在【Number of copies】输入框中输入叶片的个数，本例中为5，然后再勾选下方的【Merge nodes】；勾选下方的【Delete dupli-cate elements】；在【Rotation】下方的旋转轴【Axis】中勾选旋转轴【Z】，并且在【Angle】输入框中输入周期角度，本例中为72°（360°/5）；最后单击左下侧窗口中的【Apply】按钮，完成叶轮单流道网格的周期复制操作。复制后的全流道网格如图3-104所示。

图3-103 叶轮单流道网格的周期旋转复制

图3-104 叶轮全流道网格

24）导出计算网格文件。不同的求解器需要不同的输出格式，图3-105为CFX求解器所需的网格文件格式。单击【Output】标签，选择【Select Solver】，弹出左下侧的选项栏，在选项【Output Solver】中选中ANSYS CFX。然后单击【Output】→【Write input】，弹出如图所示的对话框，修改导出计算网格文件的名称，单击【Done】按钮，导出CFX计算所需的cfx5网格文件。

图3-105 导出计算网格文件