2.1　ICEM CFD软件概述

与其他前处理软件相比，ICEM CFD在结构化网格划分方面有着巨大的优势，其强大的结构化网格划分功能在CFD前处理过程中得到了非常广泛的应用，本节将介绍ICEM CFD 2022的基本特点和用法。

2.1.1　ICEM CFD的基本功能

ICEM CFD是一款世界领先的CFD/CAE前处理器，为各种CFD/CAE软件提供了高效可靠的分析模型。ICEM CFD 2022的操作界面如图2-1所示 。

下面从模型接口、几何功能、网格划分、网格编辑等几个方面简单介绍该软件的基本功能。

1．强大的模型接口

ICEM CFD模型接口具体功能如图2-2所示。

2．几何体构造及编辑功能

几何体构造及编辑功能包括：创建点线面体、几何变换（平移、旋转、镜面、缩放）、布尔运算（相交、相加、切分）、高级曲面造型（抽取中面、包络面）、几何修复（拓扑重建、闭合缝隙、缝合装配边界）。

3．丰富的网格类型

网格类型包括四面体网格（Tetra Meshing）、棱柱网格（Prism Meshing）、六面体网格（Hexa Meshing）、锥形网格（Pyramid Meshing）、O形网格（O-Grid Meshing）、自动六面体网格（AutoHexa）等。下面重点介绍ICEM CFD3种典型的网格划分模型。

（1）四面体网格。

四面体网格适合对结构复杂的几何模型进行快速高效的网格划分。ICEM CFD实现了四面体网格的自动化生成。

系统自动对ICEM CFD已有的几何模型生成拓扑结构，用户只需要设定网格参数，系统即可自动快速生成四面体网格，如图2-3所示。系统还提供了丰富的工具，使用户能够对网格质量进行检查和修改。

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。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。

● 快速模型及快速算法，建模速度高达1500 cells/s。

● 网格与表面拓扑独立。

● 无须表面的三角形划分。

● 可以直接根据CAD模型和STL数据生成网格。

● 控制体积内部的网格尺寸。

● 采用自然网格尺寸（Natural Size）单独决定几何特征的四面体网格尺寸。

● 四面体网格能够合并到混合网格中，并实施体积网格和表面网格的平滑、节点合并和边交换操作。图2-4所示为采用Tetra生成的棱柱和四面体混合网格。

● 单独区域的粗化。

● 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。

（2）棱柱网格。

Prism网格（棱柱网格）主要用于四面体网格中对边界层的网格进行局部细化，还可以用于不同形状网格（Hexa和Tetra）之间交接处的过渡。与四面体网格相比，Prism网格的形状更为规则，能够在边界层处提供更好的计算网络。

针对物体表面分布层问题，特别增加了Prism正交性网格，通过内部品质（Quality）的平滑性（Smooth）运算，能够迅速产生良好的连续性格点。

（3）六面体网格。

在ICEM CFD中，六面体网格划分采用了由顶至下和自底向上的“雕塑”方式，可以生成多重拓扑块的结构和非结构化网格，还可以划分任意复杂的几何体纯六面体网格，如图2-5所示。整个过程半自动化，用户能够在短时间内掌握原本复杂的操作。

另外，ICEM CFD还采用了先进的O-Grid等技术，用户可以方便地在ICEM CFD中将非规则几何形状划分出高质量的“O”形、“C”形、“L”形六面体网格，如图2-6所示。

ICEM CFD的网格工具还包括网格信息预报、网格装配工具、网格拖动工具。

4．网格编辑功能

网格编辑功能具体如下。

● 网格质量检查功能（多种评价方式）。

● 网格修补及光顺功能（增删网格/自动Smooth/缝合边界等）。

● 网格变换功能（平移/旋转/镜面/缩放）。

● 网格劈分功能（细化）。

● 网格节点编辑功能。

● 网格类型转换功能（实现Tri→Quad/Quad→Tri/Tet→Hexa/所有类型→Tet的转换）。

工程应用中经常采用网格自动划分功能实现模型的网格划分，一般操作的基本步骤如下。

（1）导入几何模型并修整模型。

（2）创建实体与边界，根据模型创建实体（Body），根据具体表面创建边界（Part）。

（3）指定网格尺寸，首先指定全局网格尺寸及合适的网格类型，然后划分并进行网格光顺处理。

（4）生成网格并导出，指定CFD/CAE软件和输出文件。

2.1.2　ICEM CFD的操作界面

由于篇幅所限及版本更新频繁，这里只简单介绍ICEM CFD版本的网格编辑器界面的基本用法。

1．ICEM CFD菜单

ICEM CFD在操作界面的上方是功能菜单，下面进行简单说明。

File：文件菜单提供许多与文件管理相关的功能，如打开文件、保存文件、合并和输入几何模型、存档工程，这些功能方便用户管理ICEM CFD工程。

Edit：编辑菜单包括回退、前进、命令行、网格转化为小面结构、小面结构转化为网格、结构化模型面等选项。

View：视图菜单包括适合窗口、放大、俯视、仰视、左视、右视、前视、后视、等角视、视图控制、保存视图、背景设置、镜像与复制、注释、添加标记、清除标记、网格截面剖视等选项。

Info：信息菜单包括几何信息、面的面积、最大截面积、曲线长度、网格信息、单元体信息、节点信息、位置、距离、角度、变量、分区文件、网格报告等选项。

Settings：设置菜单包括常规、求解、显示、选择、内存、远程、速度、重启、网格划分等选项。

Help：帮助菜单包括启动帮助、启动用户指南、启动使用手册、启动安装指南、有关法律等选项。

2．模型树

模型树位于操作界面左侧，通过几何实体、单元类型和用户定义的子集控制图形显示。

因为有些功能只对显示的实体发生作用，所以模型树在孤立需要修改的特殊实体时体现了重要性。使用鼠标右键单击各个项目可以方便地进行相应的设置，如颜色标记和用户定义显示等。

3．消息窗口

消息窗口显示ICEM CFD提示的所有信息，使用户了解内部过程。消息窗口显示操作界面和几何、网格功能的联系。在操作过程中，用户需要时刻注意消息窗口，这里将显示用户进程的状态。

单击Save按钮，可将所有窗口内容写入一个文件，文件路径默认为工程打开的位置。

选中Log复选框，将只保存用户的特定消息。

2.1.3　ICEM CFD的文件系统

在ICEM CFD中打开或者创建一个工程时，总是读入一个扩展名为prj（project）的文件，即工程文件，其中包含该工程的基本信息，包括工程状态及相关子文件的信息。

一个工程可能包含的子文件及文件说明如下（以“name”代表文件名）。

● name.tin（tetin）文件：几何模型文件，其中可以包含网格尺寸定义的信息。

● name.blk（blocking）文件：六面体网格拓扑块文件。

● domain.n文件：结构六面体网格分区文件，n表示分区序号。

● name.uns（unstructured）文件：非结构网格文件。

● multi-block文件：结构六面体网格文件，包含各个分区的链接信息，输出网格用它来链接各个网格分区文件。

● name.jrf文件：操作过程的记录文件，但不同于命令记录。

● family.boco（boundary condition）、boco和name.fbc文件：边界条件文件。

● family_topo和top_mulcad_out.top文件：结构六面体网格的拓扑定义文件。

● name.rpl（replay）文件：命令流文件，记录ICEM CFD的操作命令码，可以通过修改或编写后导入软件，自动执行相应的操作命令。

提示： 对于已经划分网格的模型，当其几何参数发生变化，而几何元素的名称及所属的族名称没有发生变化时，即可通过读入命令流文件重新执行所有命令，从而快捷地再生成网格。利用该功能可以记录一个模型网格划分的命令流，因此建立这类模型的操作模块将会节省大量时间。

2.1.4　ICEM CFD的操作步骤

ICEM CFD的功能非常强大，不仅可以划分非结构化网格，还可以划分结构化网格。划分结构化网格是ICEM CFD的优势，也是该软件的主要功能。下面以使用ICEM CFD进行结构化网格划分为例来说明这个软件的用法。

如果计算模型比较简单，可以直接使用ICEM CFD的工具来建立几何模型，因为ICEM CFD的建模功能不够强大，一般的模型需要在CATIA或其他CAD软件中创建再导入。假设我们已经在CATIA中创建了一个模型，下面介绍将模型导入并利用ICEM CFD划分结构化网格的具体方法。

1．导入几何体

执行File→Geometry→Open Geometry命令，选择好文件后在打开的对话框中进行相应的设置，即可导入几何文件。这里还可以导入其他类型的文件，如msh文件等。导入之后即可进行相关操作。

2．几何操作

通常情况下，导入的几何体是非常粗糙的，需要在ICEM CFD中进行相应的修改，这里建议在CATIA等CAD软件中将几何模型尽量简化。如图2-7所示为对几何体进行操作时经常用到的一些工具。

对导入的几何体进行相关的几何操作，以得到理想的拓扑结构，才能更好地进行后续的操作。

3．创建拓扑结构并与几何模型关联

在处理好几何体之后，接下来需要创建几何模型的拓扑结构，方法是单击Blocking标签。其中一些主要工具如图2-8所示。

利用这些工具可以创建几何模型的拓扑结构，以及与几何模型对应的边和点。

4．划分网格工具

创建几何模型的拓扑结构后，接下来需要设置网格划分参数。单击Mesh标签，设置网格参数，如图2-9所示。根据几何线的长度以及流场的情况来设置网格划分参数。

5．设置求解器

完成网格划分后，需要设置求解器，然后输出为相应格式并保存，如图2-10所示。

2.1.5　ICEM CFD应用实例

本节通过介绍一个划分结构化网格的实例，帮助读者初步了解ICEM CFD的功能。如果有兴趣进一步学习，请参看ICEM CFD的帮助文件。

1．实例描述

Fluent常用来计算机翼的空气动力学属性，图2-11所示为一个机翼三维模型，为了计算其外部绕流，需对其外部区域划分网格。在本例中，导入ICEM CFD的几何模型中已经包含整个计算区域的模型。

2．打开几何体

首先将几何文件tin复制到工作目录下，然后执行File→Open Geometry命令，选择文件，单击Accept按钮，即可将在.tin中创建的图形读入ICEM CFD，如图2-12所示。

在这个几何体中，点、曲线和曲面均已经被分类并命名，如图2-13所示，因此可以直接进入分块的过程。

3．创建块

（1）执行File→Replay Scripts→Replay Control命令，开始记录在创建块的过程中输入的所有命令。后期在划分几何形状相同但尺寸有所不同的几何体的结构化网格时，只需要将新几何体导入ICEM CFD，再调入执行记录命令的文件即可，而不必执行重复操作。该功能在进行大量而且形状相似的几何体的结构化网格划分时特别有用。

（2）执行Blocking→Create Block →Initialize Blocks 命令，打开创建块的面板，如图2-14所示，默认的类型为3D Bounding Box。先确认是否选择了该类型，然后在Part中输入Fluid，单击Apply按钮，在体周围创建初始的块。

（3）在显示树中，确认曲线被选中，并且曲线名称不被选中。使用鼠标右键单击Geometry并在弹出的快捷菜单中选择Curves→Show Curve Names命令，关闭显示曲线名称。同样确认所有的曲面不显示。打开Blocking→Vertices，并使用鼠标右键单击Vertices，在弹出的快捷菜单中选择Numbers，显示点的数字。初始化后的块如图2-15所示。

在显示树中选择Points→Show Point Names命令，显示点。

（4）选择Blocking→Split Block →Split Block 命令。从Split Method下拉列表中选择Prescribed point，如图2-16所示。

单击Edge按钮 ，并选择25～41线段，按Enter键确认。点25和点41是这条线的端点，单击Point按钮 ，并选择机翼尾部的pnt.30，如图2-17所示。

单击Apply按钮，即完成了通过指定点来划分块，如图2-18所示。

（5）同样，选择由点70和点41定义的边，并选择pnt.35（见图2-19）作为Prescribed point来打断这条边。完成之后的块显示如图2-20所示。

（6）使用pnt.30划分线69～70，得到如图2-21所示的块。

（7）使用pnt.32划分线69～104，得到如图2-22所示的块（局部）。

（8）使用翼稍的pnt.36划分线105～111，得到如图2-23所示的块（局部）。

至此，块的划分已经完成，完成后的块如图2-24所示。

4．关联点

为了保证块的边与几何体有合适的关联，必须将块顶点投影到几何体的指定点上，然后将块边界投影到曲线上。

（1）在显示树中分别使用鼠标右键单击Blocking和Geometry，并在弹出的快捷菜单中选择Vertices→Numbers和Points命令，显示块和几何体的点。

（2）选择Blocking→Associate →Associate Vertex 命令，将会打开一个选择面板，如图2-25所示。确保关联的实体为Point。

（3）单击Vertex按钮 ，选择Vertex104，单击鼠标中键确认选择。单击Point按钮 ，选择pnt.30，单击Apply按钮，完成Vertex104和pnt.30的关联。

以同样的方法，关联Vertex128和pnt.32、Vertex105和pnt.35、Vertex129和pnt.34、Vertex164和pnt.25、Vertex158和pnt.27、Vertex165和pnt.36、Vertex159和wing.46，完成点关联后的块如图2-26所示。

5．调整点的分布

由于只是关联机翼表面的特征点，造成Vertex的分布不合理，因此需要调整Vertex的分布。单击Blocking工具栏中的 按钮，打开Move Vertices面板，单击 按钮，选中Modify X项，如图2-27所示。这些操作将以选定参考点的 X 坐标为标准，把被移动点的 X 坐标调整为与参考点的 X 坐标相同。

单击Ref.Vertex框后面的 按钮，然后选择参考Vertex，这里选择Vertex164。

单击Vertices to Set框后面的 按钮，然后选择需要调整的Vertex，此处选择Vertex73、Vertex74、Vertex110、Vertex134、Vertex152、Vertex170，单击鼠标中键确认选择，单击Apply按钮完成调整。调整后的块如图2-28所示。

使用同样的方法，以Vertex165为参考点，调整Vertex89、Vertex90、Vertex111、Vertex135、Vertex153、Vertex171，得到最终调整的块，如图2-29所示。

6．建立机翼附近映射关系（边关联）

（1）打开Curve名和Vertex名。

（2）单击Blocking工具栏中的 按钮，打开块调整面板，单击 按钮，将Edge关联到Curve。

（3）单击 按钮，然后选择Edge105-104-128-129（翼根处的3条Edge分别是105-104、104-128、128-129）。

（4）单击 按钮，然后选择曲线F_78e77，单击鼠标中键确认选择，单击Apply按钮完成关联。

使用同样的方法关联Edge105-129到曲线box8.01e102、关联Edge165-164-158-159到曲线F_142e33、关联Edge165-159到曲线box8.01e100、关联Edge165-105到曲线crv.23、关联Edge159-129到曲线crv.25。

关联后的Edge都变成了绿色，如图2-30所示。

7．创建机翼外部的O形块

（1）选择Blocking→Split Block →Ogrid Block ，选中Around block(s)和Absolute，并将Offset设置为30，如图2-31所示。

（2）单击增加Select Block(s)图标 ，选择如图2-32所示的块，单击鼠标中键确认选择。此步选择代表机翼本体的块，在机翼的外围表面生成O形网格。

（3）单击Apply按钮创建O形块，形成的块如图2-33所示。

8．删除无用的块

CFD计算流场时，由于机翼本体的网格不参与计算，因此需要把代表机翼本体的块删除。选择Blocking→Split Block →Delete Block 命令，再选择代表机翼本体的块，单击鼠标中键确认选择，然后单击Apply按钮删除选中的块。

9．定义网格节点分布

选择Blocking→Pre-Parameters →Edge Params 命令，选中Copy Parameters，并在Method后选择To All Parallel Edges。选择Edge后再选择需要设置的边，输入设置参数即可，如图2-34所示。

按照表2-1设置各边的参数。

设置完成后，即可完成块的创建，建议此时保存块文件，执行File→Blocking→Save Blocking As命令，在弹出的对话框中输入文件名，将保存一个.blk文件。

10．生成网格

在模型树中选择Model→Blocking→Pre-Mesh命令，即可完成网格的划分。完成后的计算域外部网格如图2-35所示。

观察机翼表面，如图2-36所示。观察内部网格，如图2-37所示，可以发现网格质量较好。

11．检查网格质量

通过选择Blocking→Pre-Mesh Quality 命令可以检查网格质量。图2-38为以默认标准“Determinant 2×2×2”判断的网格质量。

12．输出msh文件

接下来将网格文件导出为ANSYS Fluent能够读取的msh文件。

（1）使用鼠标右键单击模型树中的Pre-Mesh，选择Convert to Unstruct Mesh命令，将网格转换成非结构网格。

（2）选择Output→Select Solver 命令，在打开的图2-39所示的面板中选择ANSYS Fluent（对应的ANSYS Fluent版本为2022）。

（3）选择Output→Write input 命令，在打开的Save Current Project First面板中选择No。在打开的选择文件对话框中选中相应的文件后，打开如图2-40所示的输出msh文件对话框，在其中进行相应设置之后，单击Done按钮即可输出msh文件到指定路径，并导入Fluent。