网格生成及修正技巧

网格生成及修正技巧1引言网格是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着重要的影响。对于复杂的CFD问题，网格的生成极为耗时，并且极易出错，生成网格所需的时间常常大于实际CFD计算的时间。因此，有必要对网格生成以及修正方法进行足够的研究。考虑到目前的CFD计算多是通过专用的网格生成软件来划分所需要的网格，因此，本文就如何利用专用前处理软件GAMBIT来介绍网格的生成和修正技巧。2网格类型网格主要有两种：结构网格和非结构网格[1][2]。结构网格的最大特点在于网格中节点排列有序，邻点间关系明确，结构简单，构造方便，与计算机语言自然匹配，容易计算，网格生成速度快，质量好，数据结构简单等优点；缺点是适用的范围比较窄，只适用于形状规则的图形，对复杂几何形状的适应能力差。非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强——流场变化比较大的地方，可以进行局部网格加密。但其无规则性也导致了在模拟计算中存储空间增大，寻址时间增长，计算效率低于结构化网格，计算时间长等缺点。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，其中五面体单元还分为棱锥形(或楔形)和金字塔形单元等[1]。（a）三角形（b）四边形图1常用的2D网格单元（a）四面体（b）六面体（c）五面体（凌锥）（d）五面体（金字塔）图2常用的3D网格单元3单连域与多连域网格网格区域分为单连域和多连域两类。所谓单连域是指求解区域边界线内不包含有非求解区域的情形。如果在求解区域内包含求解区域，则称该求解区域为多连域。所有的绕流流动，都属于典型的多连域问题，其网格主要有O型和C型两种[1]。4网格的生成网格的生成主要有以下的步骤：首先，在网格划分之前，应从数值仿真的全局出发。比如精度要求，计算时间要求，模型尺寸、复杂程度情况以及机子配置等等。考虑清楚，是使用结构网格，还是非结构网格，抑或是混合网格。因为这关系到接下来的网格划分布置和划分策略。如果模型比较简单规则，应尽量使用结构网格。结构网格比较容易划分，计算结果也比较好，计算时间也相对较短。对于复杂的几何外形，在损失精度尽量少的前提下，一是采用加密重点监控部分网格，逐渐向四周稀疏的划分方法；二是使用分块（混合）网格[3][4]。在使用分块（混合）网格时应注意两点：（1）近壁使用附面层网格，这对于近壁区的计算精度很有帮助，尽管使用足够多的非结构网格可以得到相同的结果（倘若在近壁区使用网格不当，湍流粘性系数将出现超过限定值可能）；（2）分块网格在分块相邻的地方一定要注意网格的衔接要平滑，相邻网格的尺寸不能相差太大，尽量控制在1.2左右。否则在计算时容易出现不收敛或者连续方程高残差的问题。然后，根据模型情况，构思网格的拓扑结构，简而言之，就是要明确最终得到什么样的网格，比如翼型网格，是C型，还是O型；一个圆面是想得到“内方外圆”的铜钱币类型的网格，还是一般的网格，等等。这一步可能不太清楚，有时都不知道什么样的网格拓扑是合适的，那就需要平时多看看这方面的资料，收集一些划分比较好的网格图片，体会体会。更重要的是，自己要结合实际情况进行必要的实践操作。在确定了网格拓扑之后，还需要对模型进行划分网格前的准备。比如分割，对尺度小对计算结果影响不大的次要几何进行简化等等[4]。模型分割是一种很重要的针对数值模拟的网格划分前准备手段。一可以提高整体网格的质量，二能够有目的的加密重要部位的流场网格，提高计算、数据交换精度，三则减少整体流域的网格单元，适合计算机较快地进行运算。对尺度小、计算结果影响不大的次要几何进行简化，是当前数值模拟中很重要的一部分，特别是对于线夹角、面夹角较小的模型部分。适当的简化，不仅能够改善网格质量，光顺模型表面，更重要是提高计算精度。图3分割后生成的结构网格截图图4模型外形不利的夹角接着，划分网格。划分网格一般从线网格开始，再面网格，最后到体网格。线网格的划分，也就是网格节点的布置，对网格的质量、网格的数量以及计算精度影响比较大，比如增长速度、方向，长宽比等等。节点密度在GAMBIT中可以通过很多的方法进行控制调整，如设置一个方向，沿此方向节点间隔以一定的增长率扩大