Flow Simulation 网格划分技术简介

Flow Simulation的网格技术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Flow Simulation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，Flow Simulation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网格二 Flow Simulation中的网格划分1 初始化网格在Flow Simulation的初始网格定义之前，系统已先要构建一个基础网格（Basic Mesh）。

通过图8所示的对话框可以完全自动定义初始网格，当然可以通过去除勾选“Automatic settings”来手动定义网格。

图8网格初始化初始网格是建立在几乎均匀的笛卡儿坐标基础网格之上。

如图9所示，滑动“Level of Initial Mesh”滑动条可以控制初始网格的精度等级。

图9网格初始化勾选图9中的“Show basic mesh”选项可以在模型中显示基础网格，如图10所示。

图10显示基础网格另外，可以通过在“Minimum gap size”和“Minimum wall thickness”的输入对应的数值对小间隙及薄板周围进行加密网格，如图11所示。

图11加密小间隙及薄板网格自动网格生成后，用户也可以关闭“Automatic settings”选项，即可以进行手动调整，对网格生成进行更加高级的控制，如图12所示。

在“basic mesh”选项可以控制两个面之间的三个轴向（x，y和z轴）的网格层数，当然，我们也可以通过“Add Plane”去添加更多的控制面；图12手动调整网格在“solid/fluid interface”选项可以通过对应的滑块来分别控制固体和流体网格、小的固体特征和局部曲面和相关的网格加密等级；如图13图13手动调整网格如图14所示，在“Refining Cell”选项中，我们可以通过调整滑块对所有网格加密或只对流体网格和部分网格（流体与固体交接处）进行加密。

图14手动调整网格如图15，狭长通道的的网格加密等级可以分别在“Narrow Channels”选项中控制。

当对狭长通道设定一个加密等级，求解域内所有具有相同特征的通道都会采用这一加密等级。

此外，通过对一个零件、面、边和点或者自定义的流体区域，初始网格也可以进行局部网格（Local Initial Mesh）加密控制。

局部网格加密的在主要关注的区域十分有用，可以减少其他区域网格的数量而又考虑到关键位置的网格密度。

图15手动调整网格2 求解自适应网格自适应网格是在求解计算期间根据计算所得结果不断的对网格进行调整。

这对于求解之前对流动不甚了解的情况下，很好的捕获流动特征非常有帮助，例如：在高马赫数流动下捕获流体振动。

在计算之前我们不知道速度、温度和压力等变化剧烈的地方在哪些部位出现，虽然初始网格在壁面处得到了加密，但是这对于捕获振动的特征没有帮助。

在求解过程中采用自适应网格对网格进行加密，Flow Simulation速度、温度和压力等变化剧烈的地方做相对应的加密网格处理，捕获流体振动，如图16。

图16初始网格与自适应网格的比较同时，八面体网格可以使网格自适应的过程变得简单。

通过分为8个小块网格可以加密网格，通过合并8个小块网格可以使网格粗糙。

求解自适应网格加密方法默认设置仅在滑“Level of initial mesh”滑动条滑到6，7,及8级可用。

自适应网格控制界面如图17所示。

图17 Flow Simulation自适应网格控制3.网格质量的查看及要求如图18-1，我们可以通过做剖面的方法来检查我们网格的质量（网格的疏密）情况，一般要求在流体通过最小间隙有3个网格以上。

如果要计算压差要求有5个网格以上。

图18-1 网格质量查看及要求如图18-2，我们在做剖面显示网格来检查我们网格的质量时候，我们可以通过“剖面（Cut Plots）”的“选项（Option）”中的“使用几何实体（Use CAD geometry）”来查看网格的密度是否能准确的描述几何外型。

从图18-2中上图是计算网格的实际轮廓，该轮廓跟实际的几何轮廓相差比较大，所有我们要在红色圈区域内加密网格，从而使得网格能更好的贴近几何实体。

通过这个查看网格的方法，我们根据实际的分析要求可以添加局部网格去加密这些需要局部加密的区域。

（需要隐藏几何实体开可以看到下图的不同效果）。

我们通过下面的练习来加深对Flow Simulation网格划分的认识。

图18-2 网格质量查看及要求三网格划分练习1 打开练习文档中的装配体Exercise. SLDASM。

我们可以通过命令工具栏的（initial mesh）或者右击分析树的“Input Data”选择“initial mesh”如图19，先采用默认的条件划分初始网格。

图19 默认的条件划分网格2 把初始网格的最小的间隙值设置为0.003757m，最小的墙厚度值设置为0.001m，再次划分网格，在叶片与外框狭长通道之间以及薄片叶片附近的网管得到加密。

如图20图20设定间隙及墙厚度划分网格3 把初始网格的最小的间隙值设置为0.003757m，最小的墙厚度值设置为0.001m，，并勾选高阶狭长通道选项（Advanced narrow channel refinement）。

叶片与外框狭长通道之间的网格得到加密。

如图21图21 高阶狭长通道控制网格划分4 右击分析树的“Local Initial Mesh”，选择“Insert Local Initial Mesh”。

选择如图17中两个叶片面插入局部网格，把细化网格等级调到5级划分网格。

局部网格使叶片与外框狭长通道之间的网格得到优化。

图21 插入局部网格控制的网格划分5 自适应网格设置，右击分析树中的“Input Data”，选择“Calculation Control Option ”，设定自适应网格。

如图22图22 自适应网格控制的网格划分及结果从以上结果中可以知道，经过采用自适应网格控制后，使网格在求解计算期间根据计算所得结果不断的对网格进行调整，从而帮助我们更好的捕捉到计算之前无法预知的流动特征。