Pro generování sítě konečných objemů pro CFD musí být model topologicky korektní. V programu RWIND 3 jsou hranice modelu definovány trojúhelníky. Pojem „topologicky korektní“ znamená, že tyto trojúhelníky musí tvořit uzavřenou trojúhelníkovou síť - každá hrana sítě má právě dva sousední trojúhelníky a tyto trojúhelníky se nesmí protínat ani dotýkat s výjimkou společných hran a vrcholů. Ve skutečnosti je přesná definice „topologicky korektního“ modelu složitější, ale nechceme zde zabíhat do všech detailů.
Typické CAD modely často topologicky správné nejsou. Trojúhelníky 3D objektu se protínají s trojúhelníky jiných objektů, hranice modelu není uzavřená atd. Předběžné zpracování takových modelů pro CFD analýzu může být velmi náročné a vyžadovat 60-80% času. Usnadnění této práce je proto jednou z nejsilnějších stránek programu RWIND 3. Program pro tyto účely implementuje tzv. zjednodušený model. Zjednodušený model je reprezentován speciální tzv. "shrink-wrapping" sítí, která "obaluje" původní model. Tato síť je topologicky korektní, a lze ji proto použít jako ohraničení modelu pro generování 3D sítě konečných objemů pro CFD výpočet.
Typy sítí modelu
V programu RWIND 3 je k dispozici 5 typů sítí, z nichž každá má svou vlastní roli v procesu výpočtu. Zde je jejich přehled seřazený od původní sítě modelu v programu RFEM 6 po výpočetní síť programu RWIND 3:
Síť původního modelu
Síť vytvořená na základě původní MKP sítě v programu RFEM 6. Vytvoří se dva druhy:
- M1: Síť založená na MKP síti modelu v programu RFEM 6 nebo na importovaném stl modelu.
- M2: Zjemněná síť pro lepší grafické zobrazení výsledků na původním modelu. RWIND 3 zjemňuje síť původního modelu pro lepší přenos výsledků z plošné výpočetní sítě do původního modelu.
Síť zjednodušeného modelu
Síť vygenerovaná programem RWIND 3
- M3: Síť vytvořená metodou shrink-wrapping topologicky vylepšuje síť M1. Procesem shrink-wrapping se vytvoří zjednodušený model složité konstrukce, který snižuje úroveň detailů původního modelu. Tato "shrink-wrapping" síť zjednodušeného modelu se pak použije jako vstupní hraniční síť pro CFD výpočet v OpenFOAM.
Výpočetní síť modelu
Síť vytvořená programem OpenFOAM. Vytvoří se dva druhy:
- M4: Výpočetní plošná síť vytvořená programem OpenFOAM na základě sítě M3, je základem (hraniční síť) pro generování výpočetní objemové 3D sítě M5. Po výpočtu se plošné výsledky zobrazí na této plošné síti (výpočetní síti).
- M5: Objemová 3D síť vygenerovaná pomocí snappyHexMesh metody na základě hraniční plošné sítě (M4). Chcete-li se dozvědět více o procesu generování sítě prvků, klikněte na odkaz zde. Síť M5 vyplní 3D výpočetní oblast pole proudění okolo modelu a po výpočtu se na ní zobrazí výsledky pole proudění.
Zjednodušení modelu
Zjednodušený model automaticky opravuje většinu problémů, které by jinak musely být odstraněny ručně. Mezi tyto problémy patří:
- Zbytečné detaily (viz bod 1 na obrázku Topologické imperfekce): detaily, které nejsou pro danou simulaci relevantní a mohly by způsobit nestabilitu výpočtu z důvodu nedostatečně jemné diskretizace.
- Průnik trojúhelníků (viz bod 2)
- Otevřené hrany a plochy s nulovou tloušťkou (viz bod 3)
- Otvory, kterými proudí tekutina (vítr) do vnitřních prostor budovy (viz bod 4)
Na obrázku Zjednodušené modely níže je několik příkladů automaticky opravených modelů.
Při zjednodušování modelu je možné zadat úroveň detailů a také maximální velikost otvorů pro uzavření. Použití zjednodušeného modelu pro stanovení zatížení větrem na budovu vychází z následujícího předpokladu: pokud zjednodušený model dobře aproximuje tvar původního modelu, bude zatížení vypočítané pro zjednodušený model také aproximovat správné hodnoty.
Ačkoli se ve většině případů doporučuje použití zjednodušeného modelu, může uživatel tuto možnost deaktivovat a pro výpočet použít importované hranice modelu. Tuto možnost však doporučujeme pouze pokročilým uživatelům, kteří mají zkušenosti s CFD analýzou.
Extrapolace výsledků
Po výpočtu dostaneme výsledky na výpočetní síti a potřebujeme je přenést na povrch původního modelu (tj. do "původní sítě"). K tomu používá RWIND extrapolaci, která je popsána níže.
Proces extrapolace lze rozdělit do dvou hlavních fází:
1. Nalezení hraničních trojúhelníků
Proces extrapolace začíná nalezením hraničních trojúhelníků sítě na povrchu modelu. Hledáme trojúhelníky, jejichž těžiště je dostatečně blízko k výpočetní síti. Přitom se zohledňují určitá kritéria, trojúhelníky se například nesmí překrývat atd.
2. Extrapolace tlaku na síť původního modelu
Poté pro každý hraniční trojúhelník sítě původního modelu najdeme vhodný bod na výpočetní síti a odečteme tam hodnotu tlaku.
Pro nalezení bodu na výpočetní síti nejdříve sestrojíme normálu n ve středu trojúhelníku S a poté najdeme výsledný bod v průsečíku normály n s trojúhelníkem výpočetní sítě, viz obrázek níže. Pokud nelze výsledný bod najít tímto způsobem, použije se nejbližší možný bod v okolí.
Pokud se nám podaří najít vhodný bod na výpočetní síti, použijeme hodnotu tlaku v tomto bodě a převedeme ji na celý trojúhelník původní sítě, viz obrázek. Výsledkem tohoto procesu jsou hodnoty tlaku v každém trojúhelníku sítě původního modelu. Na povrchu modelu jsou tyto hodnoty nenulové (kladné hodnoty = tlak, záporné hodnoty = sání) a na zbytku modelu je tlak nulový. Poté lze vypočítat síly působící ve středech trojúhelníků v důsledku tlaku působícího na plochy trojúhelníků. Směr síly je ve směru normály trojúhelníku.
Kontrola výpočetní sítě před výpočtem
RWIND má parametry výpočetní sítě nastaveny velmi dobře pro mnoho modelů (úroveň detailů atd.), ale rozsah aplikací programu RWIND je velmi široký a pro některé modely nemusí být výchozí nastavení ideální.
Pokud máme podezření, že náš model vyžaduje specifičtější nastavení (např. při simulaci proudění větru mohou detaily budovy hrát významnou roli), je dobré před výpočtem zkontrolovat výpočetní síť. Následující obrázek ukazuje, jak lze obě sítě zobrazit.
Pár tipů, na co si dát pozor:
- Zda vygenerovaná výpočetní síť dostatečně vystihuje geometrii modelu, zda není zjednodušení příliš velké, viz obrázek níže.
