網(wǎng)格生成及修正技巧

網(wǎng)格生成及修正技巧1引言網(wǎng)格是CFD模型的幾何表達(dá)形式，也是模擬與分析的載體。網(wǎng)格質(zhì)量對CFD計算精度和計算效率有著重要的影響。對于復(fù)雜的CFD問題，網(wǎng)格的生成極為耗時，并且極易出錯，生成網(wǎng)格所需的時間常常大于實際CFD計算的時間。因此，有必要對網(wǎng)格生成以及修正方法進(jìn)行足夠的研究?？紤]到目前的CFD計算多是通過專用的網(wǎng)格生成軟件來劃分所需要的網(wǎng)格，因此，本文就如何利用專用前處理軟件GAMBIT來介紹網(wǎng)格的生成和修正技巧。2網(wǎng)格類型網(wǎng)格主要有兩種：結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[1][2]。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的最大特點在于網(wǎng)格中節(jié)點排列有序，鄰點間關(guān)系明確，結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)造方便，與計算機(jī)語言自然匹配，容易計算，網(wǎng)格生成速度快，質(zhì)量好，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點；缺點是適用的范圍比較窄，只適用于形狀規(guī)則的圖形，對復(fù)雜幾何形狀的適應(yīng)能力差。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格舍去了網(wǎng)格節(jié)點的結(jié)構(gòu)性限制，易于控制網(wǎng)格單元的大小、形狀及節(jié)點位置，靈活性好，對復(fù)雜外形的適應(yīng)能力強(qiáng)——流場變化比較大的地方，可以進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。但其無規(guī)則性也導(dǎo)致了在模擬計算中存儲空間增大，尋址時間增長，計算效率低于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計算時間長等缺點。在結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，常用的2D網(wǎng)格單元是四邊形單元，3D網(wǎng)格單元是六面體單元。而在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中，常用的2D網(wǎng)格單元還有三角形單元，3D網(wǎng)格單元還有四面體單元和五面體單元，其中五面體單元還分為棱錐形(或楔形)和金字塔形單元等[1]。（a）三角形（b）四邊形圖1常用的2D網(wǎng)格單元（a）四面體（b）六面體（c）五面體（凌錐）（d）五面體（金字塔）圖2常用的3D網(wǎng)格單元3單連域與多連域網(wǎng)格網(wǎng)格區(qū)域分為單連域和多連域兩類。所謂單連域是指求解區(qū)域邊界線內(nèi)不包含有非求解區(qū)域的情形。如果在求解區(qū)域內(nèi)包含求解區(qū)域，則稱該求解區(qū)域為多連域。所有的繞流流動，都屬于典型的多連域問題，其網(wǎng)格主要有O型和C型兩種[1]。4網(wǎng)格的生成網(wǎng)格的生成主要有以下的步驟：首先，在網(wǎng)格劃分之前，應(yīng)從數(shù)值仿真的全局出發(fā)。比如精度要求，計算時間要求，模型尺寸、復(fù)雜程度情況以及機(jī)子配置等等?？紤]清楚，是使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，抑或是混合網(wǎng)格。因為這關(guān)系到接下來的網(wǎng)格劃分布置和劃分策略。如果模型比較簡單規(guī)則，應(yīng)盡量使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比較容易劃分，計算結(jié)果也比較好，計算時間也相對較短。對于復(fù)雜的幾何外形，在損失精度盡量少的前提下，一是采用加密重點監(jiān)控部分網(wǎng)格，逐漸向四周稀疏的劃分方法；二是使用分塊（混合）網(wǎng)格[3][4]。在使用分塊（混合）網(wǎng)格時應(yīng)注意兩點：（1）近壁使用附面層網(wǎng)格，這對于近壁區(qū)的計算精度很有幫助，盡管使用足夠多的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以得到相同的結(jié)果（倘若在近壁區(qū)使用網(wǎng)格不當(dāng)，湍流粘性系數(shù)將出現(xiàn)超過限定值可能）；（2）分塊網(wǎng)格在分塊相鄰的地方一定要注意網(wǎng)格的銜接要平滑，相鄰網(wǎng)格的尺寸不能相差太大，盡量控制在1.2左右。否則在計算時容易出現(xiàn)不收斂或者連續(xù)方程高殘差的問題。然后，根據(jù)模型情況，構(gòu)思網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簡而言之，就是要明確最終得到什么樣的網(wǎng)格，比如翼型網(wǎng)格，是C型，還是O型；一個圓面是想得到“內(nèi)方外圓”的銅錢幣類型的網(wǎng)格，還是一般的網(wǎng)格，等等。這一步可能不太清楚，有時都不知道什么樣的網(wǎng)格拓?fù)涫呛线m的，那就需要平時多看看這方面的資料，收集一些劃分比較好的網(wǎng)格圖片，體會體會。更重要的是，自己要結(jié)合實際情況進(jìn)行必要的實踐操作。在確定了網(wǎng)格拓?fù)渲?，還需要對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格前的準(zhǔn)備。比如分割，對尺度小對計算結(jié)果影響不大的次要幾何進(jìn)行簡化等等[4]。模型分割是一種很重要的針對數(shù)值模擬的網(wǎng)格劃分前準(zhǔn)備手段。一可以提高整體網(wǎng)格的質(zhì)量，二能夠有目的的加密重要部位的流場網(wǎng)格，提高計算、數(shù)據(jù)交換精度，三則減少整體流域的網(wǎng)格單元，適合計算機(jī)較快地進(jìn)行運(yùn)算。對尺度小、計算結(jié)果影響不大的次要幾何進(jìn)行簡化，是當(dāng)前數(shù)值模擬中很重要的一部分，特別是對于線夾角、面夾角較小的模型部分。適當(dāng)?shù)暮喕?，不僅能夠改善網(wǎng)格質(zhì)量，光順模型表面，更重要是提高計算精度。圖3分割后生成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格截圖圖4模型外形不利的夾角接著，劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格一般從線網(wǎng)格開始，再面網(wǎng)格，最后到體網(wǎng)格。線網(wǎng)格的劃分，也就是網(wǎng)格節(jié)點的布置，對網(wǎng)格的質(zhì)量、網(wǎng)格的數(shù)量以及計算精度影響比較大，比如增長速度、方向，長寬比等等。節(jié)點密度在GAMBIT中可以通過很多的方法進(jìn)行控制調(diào)整，如設(shè)置一個方向，沿此方向節(jié)點間隔以一定的增長率擴(kuò)大