fluent：好網格與壞網格的區別【轉發】

2017-02-19 by:CAE仿真在線來源:互聯網

網格的作用如此重要,以至于小白糾結了很久。小白知道網格劃分過程很大程度上受制于計算資源的限制,但小白還是不太明白,如果計算資源非常充足,不用顧忌資源限制的情況下,如何判斷生成的網格好壞?如何確定自己生成的網格是否合乎要求?如何利用軟件來判斷網格是否滿足要求?

在食堂的餐桌上,小白向小牛師兄詢問這些問題。

“在我的眼中,網格和美女一樣,只有漂亮的和不漂亮的區別,沒有好與壞。”小牛師兄看著不遠處一群飯都堵不住嘴巴在那嘰嘰喳喳的女生,慢悠悠的說。小牛師兄雖然學術搞得不錯,可是快奔三的人仍然是光榮的單身狗一條,因此看到漂亮女生總能發表一些與眾不同的看法。

“怎么說呢,對于網格好壞,我的做法是用肉眼觀察,看著舒服的網格可能是好的,一眼看過去感覺不舒服的,肯定是有問題的不好的網格”。小牛師兄繼續補充道。

“有沒有科學點的判斷方法呢?肉眼觀察也太忽悠人了吧!”小白說。

網格疏密

“嘿嘿,的確忽悠了點,那我們就來說點兒正緊的。我們都知道,一般情況下好的網格要根據流場分布來進行布置,那么在流場計算之前就要預估物理量的分布。”小牛師兄補充道。

“都沒計算,怎么判斷流場分布呢?”小白問。

“在計算之前,需要根據流體力學理論判斷流場分布,比如說流體流經障礙物的時候,在障礙物的上游及下游必定會出現較大的擾動,物理量變化極為劇烈,因此在這些區域需要布置更多的網格。”小牛師兄說。

“網格的疏密跟流場物理量梯度直接相關,那么哪些區域流場梯度大呢?”小白問。

“一般來說,這些區域流場梯度大:(1)障礙物上下游附近區域。(2)邊界層區域。大梯度的區域都和邊界擾動有關。”

“還有種情況需耍加密網格,那就是你需要提高某區域內計算精度時,此時需要提高此區域網格的密度。”

“說到網格疏密,就不得不提網格增長率。一套好的網格是有疏密分布的,那么在粗網格向密網格過渡時,存在一個增長率。CFD網格要求這個增長率不能太大,一般在1.1~1.3之間。”

網格形狀

“除了網格疏密需要關注外,還需要關注網格形狀,你覺得什么形狀的網格是最好的?”小牛師兄問。

“我也不是很明確,很多資料上建議使用四邊形和六面體,也有資料上說直接使用三角形和四面體,還有資料說要使用混合網格,也看到有資料說笛卡爾網格是一種發展趨勢。眾說紛紜,我都被搞迷糊了。”小白說道。

“先來說現在常用的網格形狀。目前比較常用的網格形狀主要有:三角形、四邊形、四面體、六面體、五面體、三棱柱,有些求解器還支持多面體和六邊形網格。”小牛師兄說道。

“這些形狀是誰規定的呢?有沒有球形和圓形的網格?”小白很好奇。

“網格的形狀是由求解器決定的,或者更準確的說是由求解器的離散算法所決定。具體的以后有時間再具體探討,今天要說的是:我們能夠使用什么網格形狀取決于求解器,像Fluent支持使用多面體網格,而CFX則不支持這種類型的網格。還有笛卡爾網格,很多EFD軟件都支持,但支持此類型的CFD求解器并不多。當然如果是自己開發求解器的話,則完全可以開發支持任意形狀網格的離散算法。”小牛師兄這樣說。

“話雖然可以這樣說,但實際上操作性并不強。因為選用網格類型需要考慮兩個主要問題:(1)離散精度;(2)幾何適應性。而這兩方面卻是相互矛盾的,某種網格離散精度高,其幾何適應性往往不好。”

“再說點兒實際的,都在說四邊形和六面體網格好,你覺得它們為什么好?”小牛師兄問。

“我也說不好,是不是離散精度比較高?好多復雜的幾何都很難生成六面體網格,我猜它們的幾何適應性肯定不會太好。”小白說。

“是的,四邊形和六面體網格的離散精度好。這主要得益于其正交性好及相鄰結點數較多。具體來講,完美的四邊形網格,其網格邊具有完美的正交性(夾角90度),而完美的三角形網格夾角為60度,正交性會影響插值精度和計算收斂性。再說相鄰結點數,四邊形網格擁有四個相鄰結點,六面體網格有六個相鄰結點,而三角形網格及四面體網格相鄰節點數分別為3個和4個。理論上講,相鄰節點數越多,插值精度越高。因此通常在網格數量相當的情況下,四邊形和六面體網格擁有比三角形和四面體網格更高的精度。”小牛師兄解釋道。

“有利就有弊,四邊形和六面體網格也有其不利的方面,最典型的是幾何適應性。對于復雜的幾何模型,生成四邊形網格或六面體網格常常需要花費極大的時間開銷,有時甚至無法生成。”

“還有一種情況不適合使用四邊形和六面體網格,那就是當流動與網格流向不一致的時候,此時使用四邊形或六面體網格可能會造成較大的偽擴散,嚴重影響計算精度”

“實際上對于復雜的工程模型,往往同時存在多種類型的計算網格,常見的做法是:分割計算域幾何,在簡單區域或精度要求高的區域生成四邊形或六面體網格,而在復雜區域或精度要求不高的區域生成三角形或四面體網格,不同類型網格之間采用五面體網格進行過度。”小牛師兄總結道。