Flow Simulation的网格技术 ICT –Ming Liang 梁恩铭 Flow Simulation是以SOLIDWORKS作为平台的CFD分析软件，它与其他主流的CFD分析软件一样，采用有限体积法。即将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的建立在流体动力学现象的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。这个控制体积可以简单的理解为网格。划分网格是CDF分析中比较关键的一步，它关系到分析结果的精度。这就值得我们去讨论FlowSimulation的网格技术了。 一 网格的要求和选择 我们在做任何CFD分析，都要对计算区域进行离散，即划分网格。网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有很大的影响。因此，我们对网格的划分要有足够的关注。 1 网格排列 网格分为结构网格和非结构网格两大类。结构网格即网格中节点排列有序、邻点间的关系明确，如图1所示。  图1 结构网格 与结构网格不同，在非结构网格中，节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名。图2是非结构网格示例。这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题特别有效。非结构网格一般通过专门的程序或软件来生成。另外，在某一区域内结构化网格与其它结构化网格以某种方式结合的网格，这种网格成为部分非结构化网格。  图2 非结构网格 2 网格单元的分类 单元是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的2D网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。而在非结构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元，3D网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元还可分为棱锥形（或楔形）和金字塔形单元等。图3和图4分别示出了常用的2D和3D网格单元。  图3 常用的2D网格单元  图4常用的3D网格单元 另外，立方体形式的六面体网格，其网格面与笛卡儿坐标系中的X、Y、Z 轴相平行。而这种网格经过某种扭曲后，可以很好的跟物体表面贴合。由于控制方程是用笛卡儿坐标建立的，采用立方体形式的六面体网格能简化了控制方程的离散，减少公式化代数方程的近似(没有曲线或者发散项)，故采用立方体形式的六面体网格（正交网格或笛卡儿网格）是不错的选择。而采用立方体形式的六面体网格经过某种扭曲后的网格（非正交网格）会产生二次项，在完全三维的情况中，对于非正交网格的推导会比笛卡儿网格产生几倍的“二次”项，这样将会增加很多的计算时间。如果扭曲的角度过大会产生质量很差的网格，从而影响求解的精度。如果笛卡儿网格的优点是那么明显，那么CFD的使用者为什么还要使用非正交网格。这主要是由于复杂系统的需要，特别是那些非矩形的固体边界。正是由于这个原因，非正交网格系统在机翼，叶轮等物理外形的贴合方面具有很大的优势，它可以使网格面与物理边界很好的贴合。如果在笛卡儿坐标系中使用嵌套的结构化和八面体网格（octree gird），同样可以具有四面体和六面体网格的灵活性（并且，通过使用Cut-cell技术，可以很好的描述任意形状的几何体）如图 5 和图 6 所示。  图5八面体网格（octree gird） 图6八面体网格（octree gird）--Cut-cell技术 3 生成网格的过程 无论是结构网格还是非结构网格，都需要按下列过程生成网格： （1）均建立几何模型。几何模型是网格和边界的载体。对于二维问题，几何模型是二维面；对于三维问题，几何模型是三维实体。 （2）划分网格。在所生成的几何模型应用特定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分，获得良好的网格。 要求划分良好网格的原因主要在于： 1）可以获得所需的结果精度。其中包括确保网格细密，足以求解所关心的几何特征，并且所获得的结果至少达到“工程精度”的要求。2）计算迭代可靠收敛。对于笛卡儿网格（正交网格）而言，第一个方面是非常方便的。所需的数据仅仅是X、Y、Z三个方向的网格坐标值。最为简单的方法是用户设定一些参数来控制网格的生成，FlowSimulation就采用这种方式。这也有助于经验不丰富的用户进行网格调整，从而获得一个良好的网格质量。Flow Simulation划分的网格包含流体，实体和部分网格，如图7所示。  图7 Flow Simulation网格 |
