fluent：好网格与坏网格的区别【转发】

2017-02-19 by:CAE仿真在线来源:互联网

网格的作用如此重要,以至于小白纠结了很久。小白知道网格划分过程很大程度上受制于计算资源的限制,但小白还是不太明白,如果计算资源非常充足,不用顾忌资源限制的情况下,如何判断生成的网格好坏?如何确定自己生成的网格是否合乎要求?如何利用软件来判断网格是否满足要求?

在食堂的餐桌上,小白向小牛师兄询问这些问题。

“在我的眼中,网格和美女一样,只有漂亮的和不漂亮的区别,没有好与坏。”小牛师兄看着不远处一群饭都堵不住嘴巴在那叽叽喳喳的女生,慢悠悠的说。小牛师兄虽然学术搞得不错,可是快奔三的人仍然是光荣的单身狗一条,因此看到漂亮女生总能发表一些与众不同的看法。

“怎么说呢,对于网格好坏,我的做法是用肉眼观察,看着舒服的网格可能是好的,一眼看过去感觉不舒服的,肯定是有问题的不好的网格”。小牛师兄继续补充道。

“有没有科学点的判断方法呢?肉眼观察也太忽悠人了吧!”小白说。

网格疏密

“嘿嘿,的确忽悠了点,那我们就来说点儿正紧的。我们都知道,一般情况下好的网格要根据流场分布来进行布置,那么在流场计算之前就要预估物理量的分布。”小牛师兄补充道。

“都没计算,怎么判断流场分布呢?”小白问。

“在计算之前,需要根据流体力学理论判断流场分布,比如说流体流经障碍物的时候,在障碍物的上游及下游必定会出现较大的扰动,物理量变化极为剧烈,因此在这些区域需要布置更多的网格。”小牛师兄说。

“网格的疏密跟流场物理量梯度直接相关,那么哪些区域流场梯度大呢?”小白问。

“一般来说,这些区域流场梯度大:(1)障碍物上下游附近区域。(2)边界层区域。大梯度的区域都和边界扰动有关。”

“还有种情况需耍加密网格,那就是你需要提高某区域内计算精度时,此时需要提高此区域网格的密度。”

“说到网格疏密,就不得不提网格增长率。一套好的网格是有疏密分布的,那么在粗网格向密网格过渡时,存在一个增长率。CFD网格要求这个增长率不能太大,一般在1.1~1.3之间。”

网格形状

“除了网格疏密需要关注外,还需要关注网格形状,你觉得什么形状的网格是最好的?”小牛师兄问。

“我也不是很明确,很多资料上建议使用四边形和六面体,也有资料上说直接使用三角形和四面体,还有资料说要使用混合网格,也看到有资料说笛卡尔网格是一种发展趋势。众说纷纭,我都被搞迷糊了。”小白说道。

“先来说现在常用的网格形状。目前比较常用的网格形状主要有:三角形、四边形、四面体、六面体、五面体、三棱柱,有些求解器还支持多面体和六边形网格。”小牛师兄说道。

“这些形状是谁规定的呢?有没有球形和圆形的网格?”小白很好奇。

“网格的形状是由求解器决定的,或者更准确的说是由求解器的离散算法所决定。具体的以后有时间再具体探讨,今天要说的是:我们能够使用什么网格形状取决于求解器,像Fluent支持使用多面体网格,而CFX则不支持这种类型的网格。还有笛卡尔网格,很多EFD软件都支持,但支持此类型的CFD求解器并不多。当然如果是自己开发求解器的话,则完全可以开发支持任意形状网格的离散算法。”小牛师兄这样说。

“话虽然可以这样说,但实际上操作性并不强。因为选用网格类型需要考虑两个主要问题:(1)离散精度;(2)几何适应性。而这两方面却是相互矛盾的,某种网格离散精度高,其几何适应性往往不好。”

“再说点儿实际的,都在说四边形和六面体网格好,你觉得它们为什么好?”小牛师兄问。

“我也说不好,是不是离散精度比较高?好多复杂的几何都很难生成六面体网格,我猜它们的几何适应性肯定不会太好。”小白说。

“是的,四边形和六面体网格的离散精度好。这主要得益于其正交性好及相邻结点数较多。具体来讲,完美的四边形网格,其网格边具有完美的正交性(夹角90度),而完美的三角形网格夹角为60度,正交性会影响插值精度和计算收敛性。再说相邻结点数,四边形网格拥有四个相邻结点,六面体网格有六个相邻结点,而三角形网格及四面体网格相邻节点数分别为3个和4个。理论上讲,相邻节点数越多,插值精度越高。因此通常在网格数量相当的情况下,四边形和六面体网格拥有比三角形和四面体网格更高的精度。”小牛师兄解释道。

“有利就有弊,四边形和六面体网格也有其不利的方面,最典型的是几何适应性。对于复杂的几何模型,生成四边形网格或六面体网格常常需要花费极大的时间开销,有时甚至无法生成。”

“还有一种情况不适合使用四边形和六面体网格,那就是当流动与网格流向不一致的时候,此时使用四边形或六面体网格可能会造成较大的伪扩散,严重影响计算精度”

“实际上对于复杂的工程模型,往往同时存在多种类型的计算网格,常见的做法是:分割计算域几何,在简单区域或精度要求高的区域生成四边形或六面体网格,而在复杂区域或精度要求不高的区域生成三角形或四面体网格,不同类型网格之间采用五面体网格进行过度。”小牛师兄总结道。