blockMeshと snappyHexMesh で二次元の円柱後方の流れ場モデルを作成する方法~その4~ snappyHexMesh

snappyHexMesh ヒョウ

openfaomで2次元の円柱後方の流れ場を計算するために,今までに下記の内容を説明しました。
① モデルの概要説明
② blockMeshの実行
③ freeCADによるジオメトリ(STLファイル)作成

今回は snappyHexMesh を説明します。snappyHexMeshの内容を構成するsnappyHexMeshDictにはいろいろな設定が含まれます。ここでは本ディクショナリファイルの全容を示して,castellatedMesh, snap, addLayersの要点を解説します。
入門したての人にとってここが難所と思います。snappyHexMeshの内容を越えれば,計算実行とparaFoamによるポスト処理はさほど難しくないでしょう。

snappyHexMeshDictの中身

以下に今回対象とする円柱後方の流れ場モデルを作成するためのsnappyHexMeshDictを示します。非常に長い内容です。やっていることは次の3ステップです。
・castellatedMeshの実行 ← blockMeshへのジオメトリ形状のはめ込み
・snapの実行      ← はめ込んだジオメトリ形状の輪郭および隣接メッシュの調整
・addLayersの実行    ←ジオメトリに隣接するメッシュへの境界層メッシュ作成

snappyHexMeshDict要点を青字で示し,ポイントを赤字で記載します。
コピーして利用される際は赤字の部分はコピーしないか,コピー後削除してください

**************************************
// Which of the steps to run  下3行のtrue or falseでそれぞれの実行要否を決めます
castellatedMesh true;
snap true;
addLayers true;    //←境界層メッシュを作成しない場合はtrueをfalseに修正

// Geometry. Definition of all surfaces. All surfaces are of class
// searchableSurface.
// Surfaces are used
// – to specify refinement for any mesh cell intersecting it
// – to specify refinement for any mesh cell inside/outside/near
// – to ‘snap’ the mesh boundary to the surface
geometry
{
wall   //←作成したジオメトリ(STLファイル)の輪郭に対応する境界面の名前
{
type triSurfaceMesh;
file “wall.stl”;  //←”triSurface”ディレクトリに保存したSLTファイル名を入力
}
};

// Settings for the castellatedMesh generation.
castellatedMeshControls    //←calsellatedmeshの設定領域です
{
// Refinement parameters
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
// If local number of cells is >= maxLocalCells on any processor
// switches from from refinement followed by balancing
// (current method) to (weighted) balancing before refinement.
maxLocalCells 100000;

// Overall cell limit (approximately). Refinement will stop immediately
// upon reaching this number so a refinement level might not complete.
// Note that this is the number of cells before removing the part which
// is not ‘visible’ from the keepPoint. The final number of cells might
// actually be a lot less.
maxGlobalCells 2000000;

// The surface refinement loop might spend lots of iterations refining just a
// few cells. This setting will cause refinement to stop if <= minimumRefine
// are selected for refinement. Note: it will at least do one iteration
// (unless the number of cells to refine is 0)
minRefinementCells 2;

// Number of buffer layers between different levels.
// 1 means normal 2:1 refinement restriction, larger means slower
// refinement.
nCellsBetweenLevels 4;

// Explicit feature edge refinement
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

// Specifies a level for any cell intersected by its edges.
// This is a featureEdgeMesh, read from constant/triSurface for now.
features
(
);

// Surface based refinement
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

// Specifies two levels for every surface. The first is the minimum level,
// every cell intersecting a surface gets refined up to the minimum level.
// The second level is the maximum level. Cells that ‘see’ multiple
// intersections where the intersections make an
// angle > resolveFeatureAngle get refined up to the maximum level.
refinementSurfaces
{
wall    //上述のgeometory{}内部で記入した境界条件の名前を入力
{
// Surface-wise min and max refinement level
level (0 0);
}    //ここではジオメトリ表面のメッシュを細分化しません。
}    //(0 2)と入力した場合は輪郭形状に応じて0~2回までの細分化を行います。

resolveFeatureAngle 30;

// Region-wise refinement
// ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

// Specifies refinement level for cells in relation to a surface. One of
// three modes
// – distance. ‘levels’ specifies per distance to the surface the
// wanted refinement level. The distances need to be specified in
// descending order.
// – inside. ‘levels’ is only one entry and only the level is used. All
// cells inside the surface get refined up to the level. The surface
// needs to be closed for this to be possible.
// – outside. Same but cells outside.

refinementRegions
{    //ジオメトリ周辺のメッシュを細分化する場合はここに入力します。
}   

// Mesh selection
// ~~~~~~~~~~~~~~

// After refinement patches get added for all refinementSurfaces and
// all cells intersecting the surfaces get put into these patches. The
// section reachable from the locationInMesh is kept.
// NOTE: This point should never be on a face, always inside a cell, even
// after refinement.
// This is an outside point locationInMesh (-0.033 -0.033 0.0033);
locationInMesh (-0.1 0 0.001); // Inside point
    //ここにはモデル内のメッシュが存在する任意の座標点を指定します。
    //ジオメトリとして作成した円柱の内側を指定すると間違いになります。

// Whether any faceZones (as specified in the refinementSurfaces)
// are only on the boundary of corresponding cellZones or also allow
// free-standing zone faces. Not used if there are no faceZones.
allowFreeStandingZoneFaces true;
}

// Settings for the snapping.
snapControls    //←snapの設定領域です
{
//- Number of patch smoothing iterations before finding correspondence
// to surface
nSmoothPatch 3;

//- Relative distance for points to be attracted by surface feature point
// or edge. True distance is this factor times local
// maximum edge length.
tolerance 1.0;

//- Number of mesh displacement relaxation iterations.
nSolveIter 300;

//- Maximum number of snapping relaxation iterations. Should stop
// before upon reaching a correct mesh.
nRelaxIter 5;

// Feature snapping
//- Number of feature edge snapping iterations.
// Leave out altogether to disable.
nFeatureSnapIter 10;

//- Detect (geometric) features by sampling the surface
implicitFeatureSnap false;
//- Use castellatedMeshControls::features
explicitFeatureSnap true;

//- Detect features between multiple surfaces
// (only for explicitFeatureSnap, default = false)
multiRegionFeatureSnap true;
}

// Settings for the layer addition.
addLayersControls    //←境界層メッシュ作成の設定領域です
{
// Are the thickness parameters below relative to the undistorted
// size of the refined cell outside layer (true) or absolute sizes (false).
relativeSizes true;   //境界層厚さの指定に関するサイズ指定を相対値とします

// Per final patch (so not geometry!) the layer information
layers
{
“wall*”    //STLファイル名,境界面の名前と同じ名前を””内に入力し,最後に*を付けてください
{
nSurfaceLayers 3;    //境界層メッシュ数,ここでは3メッシュです
}
}

// Expansion factor for layer mesh
expansionRatio 1.0;    //境界層メッシュの成長率,均一の厚みとします

// Wanted thickness of final added cell layer. If multiple layers
// is the thickness of the layer furthest away from the wall.
// Relative to undistorted size of cell outside layer.
// See relativeSizes parameter.
finalLayerThickness 0.3;    //成長しない設定なのでこの入力値が厚み(比率)になります

// Minimum thickness of cell layer. If for any reason layer
// cannot be above minThickness do not add layer.
// See relativeSizes parameter.
minThickness 0.25;

// If points get not extruded do nGrow layers of connected faces that are
// also not grown. This helps convergence of the layer addition process
// close to features.
nGrow 0;

// Advanced settings

// When not to extrude surface. 0 is flat surface, 90 is when two faces
// are perpendicular
featureAngle 30;

// Maximum number of snapping relaxation iterations. Should stop
// before upon reaching a correct mesh.
nRelaxIter 5;

// Number of smoothing iterations of surface normals
nSmoothSurfaceNormals 1;

// Number of smoothing iterations of interior mesh movement direction
nSmoothNormals 3;

// Smooth layer thickness over surface patches
nSmoothThickness 10;

// Stop layer growth on highly warped cells
maxFaceThicknessRatio 0.5;

// Reduce layer growth where ratio thickness to medial
// distance is large
maxThicknessToMedialRatio 0.3;

// Angle used to pick up medial axis points
minMedianAxisAngle 90;

// Create buffer region for new layer terminations
nBufferCellsNoExtrude 0;

// Overall max number of layer addition iterations. The mesher will exit
// if it reaches this number of iterations; possibly with an illegal
// mesh.
nLayerIter 50;

// Max number of iterations after which relaxed meshQuality controls
// get used. Up to nRelaxIter it uses the settings in meshQualityControls,
// after nRelaxIter it uses the values in meshQualityControls::relaxed.
nRelaxedIter 20;
}

// Generic mesh quality settings. At any undoable phase these determine
// where to undo.
meshQualityControls
{
#include “meshQualityDict”

// Optional : some meshing phases allow usage of relaxed rules.
// See e.g. addLayersControls::nRelaxedIter.
relaxed
{
//- Maximum non-orthogonality allowed. Set to 180 to disable.
maxNonOrtho 75;
}
}

// Advanced

// Write flags
writeFlags
(
scalarLevels // write volScalarField with cellLevel for postprocessing
layerSets // write cellSets, faceSets of faces in layer
layerFields // write volScalarField for layer coverage
);

// Merge tolerance. Is fraction of overall bounding box of initial mesh.
// Note: the write tolerance needs to be higher than this.
mergeTolerance 1E-6;
**************************************
以上がsnappyHexMeshDictの内容です。一度にすべての内容を理解しようとするよりは,青字と赤字の内容くらいを理解して一回実行して結果を見たほうが良いです。

castellatedMeshの概要


castellatedMeshの実行では,もともとのblockMeshで作成したメッシュ形状から,ジオメトリ(STLファイル)の輪郭に合わせてメッシュをくり抜く操作が行われます。ジオメトリの輪郭に,blockMeshのメッシュサイズに対して細かな凹凸がある場合はminRefinementLevelrefinementSurfacesLevel(0 0)を調整すれば輪郭を反映できるかもしれません。

snapの概要


snapではcastellatedMeshで作成した角ばった輪郭をジオメトリ形状に合わせこみ,メッシュ形状を調整します。ジオメトリの形状が詳細に入り組んでいる場合は,それに対応できるだけ近傍のメッシュサイズが細かい必要があることがわかると思います。今回のモデルではジオメトリとして作成した円柱の直径は30mm,blockMeshのメッシュサイズは10mmです。

addLayersの概要


addLayersではsnapで作成したジオメトリの境界面に境界層メッシュを作成します。ここでは”nSurfaceLayers 3“で境界層メッシュ数を3メッシュとしました。さらにサイズの指定を”relativeSizes true“として相対値で入力するように指定し,成長率を1.0(成長なし)として”finalLayerThickness 0.3“としました。もともとのblockMeshのメッシュサイズ30mmなので,境界層メッシュの厚さは9 mm (= 30 mm * 0.3)となります。

実施の前提

snappyHexMeshDictを編集したのちに,snappyHexMeshを実行しますが,その前にやっておくべき内容を書きします。

“constant”ディレクトリにblockMesh実行後の”polyMesh”ディレクトリを置く

“triSurface”ディレクトリにSTLファイル

snappyHexMeshの実行

snappyHexMeshの実行は以下のコマンドです。
*********
snappyHexMesh
*********
エラーなく実行できれば,以下の3つのディレクトリが生成します。生成するファイルのファイル名は/system/controlDictにあるdeltaTの数値の倍数になります。例えばdeltaTを0.05としている場合。生成するディレクトリ名は”0.05″, “0.1”, “0.15”の3つです。それぞれ以下の内容です。
“0.05”ディレクトリ
blockMeshによるメッシュにcastellatedMeshのみ実行したメッシュ情報が含まれます。このディレクト内の”polyMesh”ディレクトリはcaltellatedMeshのみ実行したメッシュです。
“0.1”ディレクトリ
上記のメッシュ情報にsnapを実行したメッシュ情報が含まれます。
“0.15”ディレクトリ
上記のメッシュ情報にさらに境界層メッシュを作成したメッシュ情報が含まれます。このディレクトリ内にある”polyMesh”ディレクトリがsnappyHexMeshの最終的なアウトプットになります。

snappyHexMeshを実行したのち,次の二つを実施して下さい。
・snappyHexMeshにより生成した3つのディレクトリを”snappyHexMesh_output”などの適当なディレクトを作ってそこに移動させる。
・境界層メッシュまで作成されているディレクトリ(上記の例では”0.15″ディレクトリ)内の”polyMesh”ディレクトリを”constant”ディレクトリ内にコピーして上書きする。
以上でsnappyHexMeshの実行は完了です。

snappyHexMeshの実行でありがちなミス

私だけかもしれませんが,snappyHexMesh実施時に陥ってしまったミスをありがちなものとして記載します。

snappyHexMeshを2回連続で実行する

一度,snappyHexMeshを実行したのち,思い通りではなかったのでsnappyHexMeshDictを終始して,再度snappyHexMeshを実行する際のミスです。
修正したのちに,constantディレクトリ内にあるpolyMeshの内容をblockMesh実施後の内容に置き換えることなく2回連続でsnappyHexMeshを実行して,まったく予期しないメッシュが出来上がっていたことがありました。
この場合snappyHexMeshはエラーを表示せず普通に実行される場合があります。paraFoamでメッシュを確認したら「なんじゃこりゃ!」と。
この原因に気が付くまでに時間がかかった思い出があるので書いておきます。snappyHexMeshDictを修正して再度実行する場合は,実行する前に再度blockMeshを実行しましょう。

snappyHexMeshDictに記載したstlファイルのファイル名が違う

freeCADで作成したstlファイルの名前を例えば,cylinder_30mm_case1.stlとか書いていたのですが,snappyHexMeshDictに記載する際にファイル名が長くて面倒なので,最終的にwall.stlとファイル名を書き換えました。
しかし,snappyHexMeshDictの記載を修正しておらずエラーが出ました。snappyHexmeshDictに記載したジオメトリファイルが”triSuface”ディレクトリ内に存在しないとき(違うファイル名のSTLファイルがあるとき),snappyHexMeshはエラーを表示せず,何も実施しないで完了します。

円柱後方流れを計算するためのsnappyHexMeshの説明は以上です。大変お疲れさまでした。
openfoamを入門する場合,メッシュ作成は「市販のメッシャーで作成したメッシュをopenfoam向けに変換する」ことが多いと思います。メッシャーとしてのopenfoamも理解し,パソコンとネットワークがあれば前処理も後処理も無料でできるCFDエンジニアを目指す人もいると思います。openfoamを理解しようとする人のお役に立てば幸いです。

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