Gambit详解与应用实例.doc

专用的CFD前置处理器——Gambit
GAMBIT软件是面向CFD的前处理器软件，它包含全面的几何建模能力和功能强大的网格划分工具，可以划分出包含边界层等CFD特殊要求的高质量的网格。GAMBIT可以生成FLUENT5、FLUENT4.5、FIDAP、POLYFLOW等求解器所需要的网格。Gambit软件将功能强大的几何建模能力和灵活易用的网格生成技术集成在一起。使用Gambit软件，将大大减小CFD应用过程中，建立几何模型和流场和划分网格所需要的时间。用户可以直接使用Gambit软件建立复杂的实体模型，也可以从主流的CAD/CAE系统中直接读入数据。Gambit软件高度自动化，所生成的网格可以是非结构化的，也可以是多种类型组成的混合网格。

一. Gambit图形用户界面：
GUI用户界面

几何造型
网格划分
定义边界条件及属性
工具栏

Gambit的命令面板

二. GAMBIT的几何造型:

Gambit软件包含了一整套易于使用的工具，可以快速地建立几何模型。另外，Gambit软件在读入其它CAD/CAE网格数据时，可以自动完成几何清理(即清除重合的点、线、面)和进行几何修正。
1  生成点
通过直接输入坐标值来建立几何点，输入坐标时即可以使用笛卡尔坐标系，也可以使用柱坐标系。或者在一条曲线上生成点，将来可以用这点断开曲线。
2 面的生成 

通过三点一张平行四边形的平面。

通过空间的点生成一张曲面。

通过空间的一组曲线生成一张放样曲面。

通过两组曲线生成一张曲面

通过构成封闭回路的曲线生成一张曲面。

通过绕以选定轴旋转一条曲线生成一张回转曲面。

根据给定的路径何轮廓曲线生成扫掠曲面。

3面的生成

通过三点一张平行四边形的平面。

通过空间的点生成一张曲面。

通过空间的一组曲线生成一张放样曲面。

通过两组曲线生成一张曲面

通过构成封闭回路的曲线生成一张曲面。

通过绕以选定轴旋转一条曲线生成一张回转曲面。

根据给定的路径何轮廓曲线生成扫掠曲面。

3 生成几何实体
Gambit软件中，可以直接生成块体柱体、锥体、圆环体、金字塔体等。然后再通过实体间的布尔运算得到较为复杂的实体。

把现有曲面缝合为一个实体。

把一个断面图绕一个轴旋转 生成回转体。

沿给定的路径扫掠一个断面，得到一个扫掠体。

三. GAMBIT的通用功能

1 布尔运算
Unite
取两个面或两个的体的并集作为一个新的面和实体
Subtract
从一个面或体上减去一个面或体得到一个新的面或体。
Intersect
取两个面或体的交集为新的面或实体。

2 移动和拷贝
 move/copy
将所选择的几何移动或拷贝到新位置。共有四种方式：Translate(平移) 、Scale(比例) 、Reflect(镜像)、Rotate(旋转)

3  分裂与合并
split
可以用一个面把另一个面分裂为两个面。也可以用一个体把另一个体分裂为两个体。
Merge
把两个面合并为一个面，或把两个体合并为一个体。

4 连接与解除连接
Connect把完全重合的点、线、面合并。当处于Connect状态时，相邻几何网格连续；Disconnrct 解除这种连接。当处于 Disconnrct状态时，允许相邻几何划分出不连续的网格。FLUENT5允许使用不连续的网格。

5  Undo和删除

撤销上一条命令，在GAMBIT中UNDO没有级数限制。

删除相应的对象，如点、线、面、体、网格。

四. 网格生成

Gambit软件提供了功能强大、灵活易用的网格划分工具，可以划分出满足CFD特殊需要的网格。

1  生成线网格
 在线上生成网格，作为将在面上划分网格的网格种子，允许用户详细的控制在线上节点的分布规律，Gambit提供了满足CFD计算特殊需要的五种预定义的节点分布规律。

2  生成面网格
对于平面及轴对称流动问题，只需要生成面网格。对于三维问题，也可以先划分面网格，作为进一步划分体网格的网格的网格种子。
Gambit根据几何形状及CFD计算的需要提供了三种不同的网格划分方法:
①映射方法
映射网格划分技术是一种传统的网格划分技术，它仅适合于逻辑形状为四边形或三角形的面，它允许用户详细控制网格的生成。在几何形状不太复杂的情况下，可以生成高质量的结构化网格。
②子映射方法
为了提高结构化网格生成效率，Gambit软件使用子映射网格划分技术。也就是说，当用户提供的几何外形过于复杂，子影射网格划分方法可以自动对几何对象进行再分割，使在原本不能生成结构化网格的几何实体上划分出结构化网格。子映射网格技术是FLUENT公司独创的一种新方法，它对几何体的分割只是在网格划分算法里进行，并不真正对用户提供的几何外形做实际操作。
③自由网格
对于拓扑形状较为复杂的面，可以生成自由网格，用户可以选择合适的网格类型(三角形或四边)。
3  边界层网格
CFD计算对计算网格有特殊的要求，一是考虑到近壁粘性效应采用较密的贴体网格，二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致。对于面网格，可以设置平行于给定边的边界层网格，可以指定第二层与第一层的间距比，及总的层数。对于体网格，也可以设置垂直于壁面方向的边界层，从而可以划分出高质量的贴体网格。而其它通用的CAE前处理器主要是根据结构强度分析的需要而设计的，在结构分析中不存在边界层问题，因而采用这种工具生成的网格难以满足CFD计算要求，而Gambit软件解决了这个特殊要求。

五. Gambit 的可视化网格检查技术和网格输出功能

可以直观的显示网格质量，用户可以浏览单元畸变、扭曲、网格过度、光滑性等质量参数，可以根据需要细化和优化网格，从而保证CFD的计算网格 。用颜色代表网格的质量。Gambit支持所有的FLUENT求解器，如FLUENT4.5，FLUENT5，NEKTON，POLYFLOW，FIDAP等求解器。Gambit支持面向图形的边界条件，也就是说，用户可以直接在几何图形上施加流动的边界条件。不需要在网格上进行操作。

六. CAD/CAE接口

  Gambit软件可以直接存取主流的CAD/CAE系统的网格数据并支持标准的数据交换格式。
1.Gambit软件支持以下CAD软件几何接口：

ACIS：Gambit软件的图形就是基于ACES核心，因而可以支持 ACIS各种版本的几何数据；

Pro/engineer VRML : Gambit 可以直接输入PTC公司Pro/engineer 软件输出的VRML格式的数据。

Optegra Visulizer : Gambit 可以直接输入PTC公司Optegra Visulizer数据格式；

IDEAS FTL : Gambit 可以直接输入SDRC公司IDEAS FTL格式的数据；

IGES：Gambit软件可以读取IGES几何数据，并在读入时自动清理重复的几何元素；

STL：Gambit软件支持STL格式的数据；

Gambit软件也支持STEP、SET、VDAFS、VDAFS、PARASOLID、 CATIA格式的几何数据。

2  CAE接口
Gambit可以直接输入主流CAE软件的网格，而且在输入网格后可以自动反拓出相应的曲面或几何实体。Gambit可以输入以下软件的网格数据：

  ANSYS

  NASTRAN

   PATRAN

   FIDAP

   GAMBIT

Gambit使用
1.1 Gambit介绍
网格的划分使用Gambit软件，首先要启动Gambit，在Dos下输入Gambit <filemane>，文件名如果已经存在，要加上参数-old。
一．Gambit的操作界面

图1 Gambit操作界面
如图1所示，Gambit用户界面可分为7个部分，分别为：菜单栏、视图、命令面板、命令显示窗、命令解释窗、命令输入窗和视图控制面板。
文件栏
文件栏位于操作界面的上方，其最常用的功能就是File命令下的New、Open、Save、Save as和Export等命令。这些命令的使用和一般的软件一样。Gambit可识别的文件后缀为.dbs，而要将Gambit中建立的网格模型调入Fluent使用，则需要将其输出为.msh文件(file/export)。
视图和视图控制面板
Gambit中可显示四个视图，以便于建立三维模型。同时我们也可以只显示一个视图。视图的坐标轴由视图控制面板来决定。图2显示的是视图控制面板。

图2 视图控制面板

视图控制面板中的命令可分为两个部分，上面的一排四个图标表示的是四个视图，当激活视图图标时，视图控制面板中下方十个命令才会作用于该视图。
视图控制面板中常用的命令有：
全图显示、选择显示视图、选择视图坐标、选择显示项目、渲染方式。
同时，我们还可以使用鼠标来控制视图中的模型显示。其中按住左键拖曳鼠标可以旋转视图，按住中键拖动鼠标则可以在视图中移动物体，按住右键上下拖动鼠标可以缩放视图中的物体。
命令面板
命令面板是Gambit的核心部分，通过命令面板上的命令图标，我们可以完成绝大部分网格划分的工作。
图3显示的就是Gambit的命令面板。

图3 Gambit的命令面板
从命令面板中我们就可以看出，网格划分的工作可分为三个步骤：一是建立模型，二是划分网格，三是定义边界。这三个部分分别对应着Operation区域中的前三个命令按钮Geometry(几何体)、mesh（网格）和Zones（区域）。Operation中的第四个命令按钮Tools则是用来定义视图中的坐标系统，一般取默认值。命令面板中的各个按钮的含义和使用方法将在以后的具体例子中介绍。
命令显示窗和命令输入栏
命令显示窗和命令输入栏位于Gambit的左下方（如图4所示）。

图4 命令显示窗和命令输入栏
命令显示窗中记录了每一步操作的命令和结果，而命令输入栏则可以直接输入命令，其效果和单击命令按钮一样。
命令解释窗
图5显示的是位于命令显示窗左方的命令解释窗 ，当我们将鼠标放在命令面板中任意一个按钮的上面，Description窗口中将出现对该命令的解释。

图5 命令解释窗
1.2 二维建模
划分网格的第一步就是要建立模型。在命令面板中单击Geometry按钮，进入几何体面板。
图6显示了几何体面板中的命令按钮。

图6
图6中从左往右依次是创建点、线、面、体和组的命令。
对于二维网格的建立，一般要遵循从点到线，再从线到面的原则。
以二维轴对称单孔喷嘴的网格划分为例介绍二维网格的生成。]
首先要确定问题的计算域。
计算域的确立
图1是一个二维轴对称单孔喷嘴射流问题的计算区域。由于Fulent的边界提法比较粗糙，多为一类边界条件，因此建议在确定计算域时，可以适当加大计算范围。从图中我们可以看出，计算区域为4D*12D，其中在喷嘴的左边取了2D的计算区域，就是为了减小边界条件对计算的影响。

图1 计算域的确定
对于上述的计算域，我们在建立计算模型时按照点、线、面的顺序来进行。
创建点（vertex）
单击命令面板中的Vertex按钮，进入Vertex面板（见图7）

图7 Vertex命令面板
单击Vertex Create按钮，在Create Real Vertex对话框中输入点的坐标，再单击Apply按钮，就可以创建点。计算出计算域的各个顶点的坐标，依次创建这些顶点（见图8）。

图8 点的创建
在Gambit中点的创建方式有四种：根据坐标创建、在线上创建、在面上创建和在体上创建。我们可以根据不同的需要来选择不同的创建方式（见图9）。

图9
Vertex中常用的命令还有：Move/Copy、Undo和Del。
l Move/Copy命令
图9显示的是Move/Copy Vertex对话框。

图10
当我们要复制或移动一个点时，首先要选择需要作用的点。在命令面板中单击Vertices右边的输入栏，输入栏以高亮黄色显示，表明可以选择需要的点。
在Gambit中选择一个对象的方法有两种：
1． 按住Shift键，用鼠标左键单击选择的对象，该对象被选中，以红色显示。
2． 单击输入栏右方的向上箭头，就会出现一个对话框，从对话框中可以选择需要的点的名称（见图11）。因此为了便于记忆，建议在创建对象的时候要起一个便于记住的名字。

图11
同时，Gambit还为我们提供了三种不同的坐标系，即直角坐标系、柱坐标和球坐标。在命令面板的坐标类型中，可以选择不同的坐标系。
l Undo
Undo命令可以消除上一步操作的内容，但需要注意的是，在Gambit中只有Undo命令而没有Redo命令。
l Del
Del命令用来删除一些误操作或不需要的对象。单击Del按钮，在视图中选择需要删除的对象，再单击Apply按钮即可。
线的创建（Line）
在命令面板中单击Edge按钮，就可以进行线的创建和编辑（见图12）。
在Gambit中，最常用的是直线的创建。
在Edge命令面板中单击Create Straight Edge按钮，在视图中选择需要连成线的点，单击Apply按钮即可（见图13）。这时视图中的线段是以黄色显示。当这些线段组成一个面时，将以蓝色显示。

图12

图13
除了创建直线外，Gambit还可以创建其他的一些线段，如圆弧、圆、倒角、椭圆等（见图14）

图14
Edge命令中常用的还有合并、分离等命令，即可以把两条线段合成一条，也可以将一条线段分成两条，这些可以为面的创建和网格划分提供方便。因为面的创建需要一个封闭的曲面。
面（Face）的创建
面的创建工作十分简单，只须选择组成该面的线，单击Apply按钮即可（见图15）。需要注意的是这些线必须是封闭的，同时我们要创建一个二维的网格模型，就必须创建一个面，只有线是不行的。同样的道理，在创建三维的网格模型的时候，就必须创建体。

图15
在面的创建中，有一个布尔运算的操作，可以使我们创建不规则形状的面（见图16）。布尔运算包括三种方式：加、减、交。

图16

2.网格的划分
在命令面板中单击Mesh按钮，就可以进入网格划分命令面板。在Gambit中，我们可以分别针对边界层、边、面、体和组划分网格。图17所示的五个按钮分别对应着这五个命令。

Boundary Layer
（边界层）

Edge
（边）

Face
（面）

Volume
（体）

Group
（组）
图17
2.1边界层网格的创建
在命令面板中单击按钮，即可进入边界层网格创建（见图18）。

图18

边界层网格的创建需要输入四组参数，分别是第一个网格点距边界的距离（First Row），网格的比例因子（Growth Factor），边界层网格点数（Rows，垂直边界方向）以及边界层厚度（Depth）。这四个参数中只要任意输入三组参数值即可创建边界层网格。
同时，我们还可以选择边界层网格创建的形式。在命令面板的Transition Pattern区域，系统给我们提供了四种创建方式（见图19）。

图19
2.1.2 创建一个边界层网格
以上述二维轴对称圆孔射流的计算模型为例，介绍边界层网格的生成。
1． 单击Mesh按钮，选择Boundary layer选项，进入边界层网格创建命令面板。
2． 按住Shift按钮，用鼠标左键单击图形中的线段1，选择其为创建对象。
3． 输入参数值为：First Row：0.05，Growth Factor：1.01，Rows：10，选择创建形式为1:1，单击Apply按钮完成创建工作（见图20）。

图 20
2.2.2创建边上的网格点数
当我们划分的网格需要在局部加密或者划分不均匀网格时，我们首先要定义边上的网格点的数目和分布情况。
边上的网格点的分布可分为两种情况，一种是单调递增或单调递减，一种是中间密（疏）两边疏（密）。下面依然结合实例介绍边上网格点的创建。
1. 单击命令面板中的按钮，进入Edge网格创建面板（见图21）。

图21
2. 在图13中选择线段2。
3. 在命令面板中单击Double Side按钮，设置Radio1和Radio2为1.05。
4. 在命令面板中单击Interval Size按钮，选择Interval Count选项。
5. 在Interval Count按钮的左边输入参数值为20。
6. 单击Apply按钮，观察视图中边上的网格点的生成（见图22）。

tu
7．选择视图中的线段3，取消对Double Side按钮的选择，设置Radio为1.01，Interval Count为80，观察视图中网格点的分布情况。视图中选中线段上的红色箭头代表了Edge上网格点分布的变化趋势。如果Radio大于1，则沿箭头方向网格点的分布变疏，小于1，则沿箭头方向网格点的分布变密。如果发现网格点的分布情况与预计的相反，可以采用两种方法解决：（1）按住Shift 按钮，在所选择的线段上单击鼠标中键改变箭头的方向；（2）在命令面板中单击Invert按钮，将Radio值变为其倒数值。

8．依次选择视图中的线段4、5、6、1，设置合理的网格点分布。
注意：在设置网格点分布的时候，一个封闭面的最后一条线段的网格点的分布可以通过系统自动计算得到。

2.2.3 划分面的网格
Gambit对于二维面的网格的划分提供了三种网格类型：四边形、三角形和四边形/三角形混合，同时还提供了五种网格划分的方法。表1、2分别列举了五种网格划分的方法以及它们的适用类型。
方法
描述
Map
创建四边形的结构性网格
Submap
将一个不规则的区域划分为几个规则区域并分别划分结构性网格。
Pave
创建非结构性网格
Tri Primitive
将一个三角形区域划分为三个四边形区域并划分规则网格。
Wedge Primitive
在一个楔形的尖端划分三角形网格，沿着楔形向外辐射，划分四边形网格。
表1

适用类型
方法
Quad
Tri
Quad/Tri
Map
´

´
Submap
´

Pave
´
´
´
Tri Primitive
´

Wedge Primitive

´
表2
下面仍然以二维轴对称自由射流的网格划分为例，来介绍各种网格的生成。
1． 单击命令面板中的按钮（Mesh Face），进入面的网格创建命令面板（见图25）。

图25
2． 选择视图中的面，系统中默认的网格点的类型为四边形结构网格。单击Apply按钮，观察网格的生成（见图26）。

图26
3． 在命令面板的Type中选择网格类型为Pave，单击Apply按钮，观察网格的生成（见图27）。

图27
4． 选择Element类型为Tri，单击Apply按钮，观察网格的生成（见图28）。

图28
（三） 边界的定义
在Gambit中，我们可以先定义好各个边界条件的类型，具体的边界条件取值在Fluent中确定。
1． 在菜单栏中选择Fluent/Fluent5。这个步骤是不可缺少的，它相当于给Gambit定义了一个环境变量，设置完之后，定义的边界条件类型和Fluent5中的边界类型相对应。
2． 在命令面板中单击按钮，进入区域类型（Zone Type）定义面板。
3． 单击按钮，出现Specify Boundary type对话框（见图29）。

图29
4． 选择Entity类型为Edge。在视图中选择Edge1，在Name区域中输入Wall，选择Type为Wall，即定义Edge1的边界条件为固壁条件，取名为Wall。
5． 选择Edge2，定义边界条件为压力入流条件（Pressure Inlet），取名为Inflow。
6． 选择Edge4，定义边界条件为压力出流条件（Pressure Outlet），取名为Outflow。
7． 选择Edge5、6，定义边界条件为远场压力条件（Pressure Far-field），取名为Outflow1。
8． 选择Edge3，定义边界条件为轴对称条件（Axis），取名为Axis。
（四） 保存和输出
1． 在菜单栏中选择File/Save as，在对话框中输入文件的路径和名称。（注意：在Gambit中要往一个文本框中输入文字或数字，必须先将鼠标在文本框中单击选中文本框）
2． 选择File/Export/Mesh，输入文件的路径和名称。
1.3 三维建模
相对于二维建模而言，三维建模与二维建模的思路有着较大的区别。二维建模主要遵循点、线、面的原则，而三维建模则更象搭积木一样，由不同的三维基本造型拼凑而成，因此在建模的过程中更多的用到了布尔运算及Autocad等其他的建模辅助工具。
三视图的使用
在建立三维图形的时候，使用三视图有利于我们更好的理解图形。
图30显示的是Gambit的视图控制面板。

图30
在当前状况下，四个视图都是激活的（在Active栏中，显示红色），这时视图控制面板中的十个命令将同时作用于四个视图。
在创建三维图形之前，我们要做的第一项工作就是要将Gambit的四个视图设置为顶视图、前视图、左视图和透视图。
1． 用鼠标单击Active右边的后三个视图，取消对它们的激活，激活取消后呈灰色（见图31）。

图31
2． 用鼠标右键单击视图控制面板中的坐标按钮，弹出一组坐标系（见图32）。
3． 选择，则左上视图变成顶视图。如法炮制，设置其他视图（见图33）。
4． 单击控制面板中的，也可将视图设成三视图。

图32

图33
基本三维模型的建立
在Gambit控制面板中单击按钮，在Volume中用鼠标右键单击，弹出一组按钮（见图34），表示Gambit所能创建的基本三维几何体，主要有长方体、圆柱体等。

图34

布尔运算的基本概念
典型的布尔运算包括并、交、减。
并：将两个物体并成一个物体（两个物体的并集）
交：两个物体的交集
减：A物体减去B物体
下面用一个简单的例子来说明基本三维几何体的创建和布尔运算的运用
1．单击按钮，输入参数创建一个高60，半径6的圆柱体（见图35）。在Axial Loaction栏中选取Positive X，使得圆柱体的法线指向x方向。在Gambit中创建的几何体，其基点都在坐标系的原点（见图36）。如果创建的几何体过大，在视图中无法显示全图，或者太小，无法分辨，单击按钮即可。

图35

图36
2．为了能够更好的观察三维几何体，可以用鼠标拖动四个视图中央的小方块，改变四个视图的大小（见图37）。
3．再创建两个圆柱体，分别指向y和z方向（见图38）。
4．单击按钮，移动圆柱体，使其如图39所示。
5．单击按钮，选择三个圆柱体，依次将它们合并在一起（见图40）。

图37

图38

图39

图40

6．为了更加清楚的观察三维几何体，可以选择按钮（见图41）。

图41
7．选择按钮即可恢复原状。
网格划分
三维几何体网格的划分与二维的基本一样，但三维物体的网格划分比较难以把握，尤其是对局部的加密。
引入CAD图形
Gambit只适用于创建简单的三维几何体，对于复杂形体而言，其绘图功能是远远不够的，这时Gambit允许我们引入一些其他软件创建的文件，常用的有Autocad创建的ASCI形式的文件.sat。
CAD中创建的图形要输出为.sat文件，要满足一定的条件。对于二维图形来说，它必须是一个region，也就是说要求是一个联通域。对于三维图形而言，要求其是一个ASCI body。