网格的几点误区，你中坑了没？

尽管 现在 FEA及CFD中出现了一些无网格软件,然而对于大多数CAE使用者来说,网格划分依旧是一个非常重要的任务。 怎么强调生成高质量的网格的重要性都不过算过分。

然而“高质量的网格”或者说“足够好的网格”,该如何定义呢?仅仅依靠网格生成软件输出的网格质量报告来评价么?当然分析网格生成软件输出的网格质量报告是网格划分过程中必不可少的一部分,但是仅靠软件输出的这些关于网格质量的报告是不够的,使用者还应当结合自己的物理问题,才能对网格是否足够好作出准确判断。

很不幸,人们对于“好网格”存在误解。如今在工程专业课堂中已经很难找到网格划分方面的课程了,网格划分的数值算法在大多数的工程专业中也都变成选修课了。因此,新一代的CAE使用者对于“CAE系统中网格生成器是如何工作的”缺乏认识就不足为奇了。

下面是关于“好网格”的一些认识误区。

如今,越来越多的CAE使用者是从设计师转岗或兼职而来,他们通常都接受了良好的CAD培训,更倾向于分析所有的几何细节。他们相信细节越多意味着更真实。

这种想法是错误的,在更多的情况下,好的网格应该是能更好的反映物理本质,而不是完全贴合CAD模型。

CAE仿真的目的是获取计算对象上的物理量分布,如应力、应变、位移、速度、压力等。CAD模型仅仅只是物理对象的简单近似,其中包含了大量与分析不相关的细节,这些细节对于计算分析准确性贡献很小,却会极大的增加计算开销。因此,了解系统中的物理模型至关重要,好网格应当基于物理模型并对CAD模型进行简化。

总结来说,就是:只有当对自己系统中的物理模型非常了解,才有可能生成好的网格。

我们常常能看到很多CAE使用者为获得高质量网格,花费大量时间和精力在改变网格尺寸、分解几何及简化几何等方面,他们仔细地检查网格划分软件中关于网格质量的输出报告并对网格划分过程进行精细的控制。
这当然是很有必要的,但是过犹不及,因为好的网格并不一直都是好网格。网格好与坏取决于要模拟的物理问题。

例如,当你划分了一个非常好的网格,能够完美的捕捉翼型表面的流动,并且能准确的计算所有的力。但是如果当计算条件发生了改变,比如说流动攻角从0°变成了45°,之前好的网格还是好网格么?很有可能就不是了。

一个好的网格总是与具体的物理问题相关联。当计算条件发生改变(如改变边界条件或载荷条件,改变分析类型或流动模型)后,好的网格可能会变为不好的网格,虽然几何形状并没有发生任何改变。

许多老的教科书会告诉你六面体(四边形)网格要比四面体(三角形)网格更好,并且会告诉你使用四面体或三角形网格会产生多么大的数值误差。特别是在15或20年前,这可能是事实。
历史上,人们更喜欢六面体网格,因为:

• 在当时只有结构网格可以用于大多数CFD求解器

• 减少网格数量,节省大量的内存和CPU时间

• 当时非结构网格求解器技术不成熟

随着求解器技术的发展,对于大多数问题,大多数商业FEA及CFD程序采用四面体网格也能得到六面体网格类似的计算结果。当然,四面体网格通常需要更多的计算资源,但是这也很容易地被在网格生成环节所节省的时间相抵消。对于大多数工程问题,六面体网格的精度优势实际上已经不再存在了。

对于一些特殊的应用,如风力透平,泵或飞机翼型,仍然优先使用六面体网格。原因在于:

• 行业惯例

• 被理解透彻的物理背景(大多数使用者都知道如何对齐网格)

• 对于此类几何,有特殊的工具为其生成六面体网格

然而对于大多数FEA及CFD使用者来说,如果几何表面稍微复杂,在六面体网格生成上花费时间是一种浪费。大多数情况下,计算结果并不会更好。而求解计算节省的时间甚至还不如网格生成花费的时间。

软件供应商为了证明自己的网格划分软件很高端(通常价格也很高端),他们会告诉你他们的软件允许你进行各种手动控制。潜台词就是说只有手动控制才能生成更好的网格。

当然对于销售人员来说,好的网格需要手动控制。但是对于工程师来讲,你需要知道这是一种误导。好的网格划分软件应该能够智能的分析底层几何:计算曲率、找到沟槽、找到小的特征、找到硬的边特征、找到尖锐的夹角等。并能更具这些分析得到的数据采用更合适的网格划分参数。

这些都是自动网格划分应该做到的。对于大多数用户来说,软件可以收集更多的底层几何信息。因此,相对于大多数使用者来说,软件应该能够设置更优的参数以获取更高质量的网格。因为软件能够获取更多的信息。

当然对于每天使用网格划分软件,并且长时间处理类似的几何的高级用户来说,情况又有些不同。这些用户对于要求解问题的物理背景了解非常透彻,但是网格划分软件却做不到这一点。然而这样的高级用户数量是越来越少了。

通常对于网格质量,除非你使用的是非常糟糕的网格划分软件,否则自动网格划分能够比人做得更好。手动控制是为那些对问题背后的物理原理了解非常清楚的人准备的。

现如今,HPC资源很容易获得,即便是一个学生也可能尝试利用1000~2000万网格求解CFD问题。在大多数CAE使用者的眼中,网格数量多意味着高保真度。

但是这并不是真的,因为一些物理问题必须建立模型。例如在CFD中,如果要使用标准壁面函数,则粘性子层内的任何节点都会使得壁面函数失效,这不仅浪费计算资源,还有可能造成非物理解。即使使用LES,过度细密的网格也可能导致更大的误差以及非物理解。

细密的网格并不意味着就是好的网格。网格划分的目的是在离散的位置获得解,良好的网格应该服务于计算模型,只要计算结果符合物理事实且足够准确,网格就是好的网格。

另一个关于此误解的例子。大多数用户总数喜欢使用完整的3D模型,在他们眼中,全3D模型是最符合现实的。然而如果问题是对称的,使用部分几何会得到更好的计算结果,因为对称条件是强制执行的。如果问题是轴对称的,则2D结果可能比大多数3D结果更准确。然而,新一代的CAE使用者并没有充足的时间了解要模拟的系统背后的物理原理,他们很难对模型进行简化。因此,CAE计算规模没必要的越来越大也就不奇怪了。

目前,CAE依旧依赖于网格。好的网格应该:

• 能够求解要研究的物理问题

• 具有合理的质量,使求解器不会挂掉

• 基于物理原理进行几何简化

• 网格好与坏要看具体的问题而定

• 满足项目需求