网格生成技术及其应用

2018-02-14赵晓辉

西部皮革 2018年8期

赵晓辉

(西华大学能源与动力工程学院，四川成都 610039)

前言

计算流体动力学(CFD)中,按一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格,产生这些节点的过程叫网格生成。网格生成是连接几何模型和数值算法的纽带,几何模型只有被划分成一定标准的网格时才能对其进行数值求解,一般而言,网格划分越密,得到的结果就越精确,但耗时也越多。数值计算结果的精度及效率主要取决于网格及划分时所采用的算法,它和控制方程的求解是数值模拟中最重要的两个环节。网格生成技术已经发展成为流体机械CFD的一个重要分支。

1 网格生成方法概述

积分区域的网格划分直接影响到方程离散的难易，数值计算速度的快慢和所需计算机内存的大小，也影响到数值解的收敛性和准确性。数值计算中所用网格有很多种分类方法，按网格是否正交，可分为正交网格和非正交网格；按网格节点排列是否有序，可分为结构化网格和非结构化网格；按网格是否以适应计算间歇的特点，可分为自适应网格和非自适应网格；按计算区域中所包含网格的种类，分为多块网格和单块网格；按网格是否跟随计算界面移动，可分为静止网格和运动网格等等。在一个区域中，网格的形式可以是单一的，也可以是几种形式的组合。

2 结构化网格

结构化网格是指网格区域内所有的内部点都具有相同的毗邻单元。结构化网格主要分为正交曲线坐标系中常规网格、对角直角坐标法、适体坐标法和块结构化网格。其中正交曲线坐标系中的常规网格是网格生成技术中最古老、最基本和概念上最简单的网格生成法，它包括:直角坐标系的矩形网格,圆柱坐标系和球坐标系的曲线网格。在结构化网格中,容易实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算，这种结构网格具有生成速度快、质量好，数据结构简单，与实际的模型更容易接近等优点。而它的典型的缺点是只适用于形状规则的图形，适用的范围比较窄。随着计算机和数值方法的快速发展，人们对求解区域的几何形状的复杂性的要求越来越高，就需要我们运用其他的网格生成技术来解决问题。

3 非结构化网格

同结构化网格的定义相对应，非结构化网格是指网格区域内的内部点不具有相同的毗邻单元。即与网格剖分区域内的不同内点相连的网格数目不同。从定义上可以看出，结构化网格和非结构化网格有相互重叠的部分，即非结构化网格中可能会包含结构化网格的部分。非结构化网格技术主要弥补了结构化网格不能解决任意形状和任意连通区域的网格剖分的缺陷。在这种网格中,单元与节点的编号无固定规则可遵循,而且每一个节点的邻点个数也不是固定不变的。因此,非结构化网格中节点和单元的分布可控性好,能够较好地处理边界,适用于流体机械中复杂结构模型网格的生成。非结构化网格生成方法在其生成过程中采用一定的准则进行优化判断,因而能生成高质量的网格,很容易控制网格大小和节点密度。

4 混合网格

近年来，结合结构网格和非结构网格优势的混合网格技术受到CFD工作者的普遍重视。混合网格具有剖分灵活、易于实现网格自适应等优点，适于处理复杂边界问题，因此被广泛地应用。混合网格主要有以下几种：三棱柱/四面体网格、针对多部件或多体复杂外形的混合网格和矩形/非结构混合的网格等。

对于一些工程或学术问题，几何具有如下特征：部分区域非常规则、简单，适合使用结构网格划分；另外的区域几何形状很复杂，使用非结构网格划分更容易。

5 基于ICEM CFD网格划分技术应用

目前，比较成熟的网格生成软件有ICEM CFD、GAMBIT、Gridgen、GridPro等。其中ICEM CFD是专业的CAE前处理软件，它拥有强大的CAD模型修复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术、网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。用ICEM CFD生成网格非常灵活，可以生成结构、非结构网格和混合网格，而快速生成的非结构化网格主要为六面体网格形态，以解决具有复杂外形的网格生成问题。ICEM CFD的一个重要的特点是交互性强，用户可以查看网格生成的质量并对网格进行调整。利用ICEM CFD进行物理建模及网格划分，也要靠一定的经验，不断尝试、试算，生成网格的操作步骤是：(1)设置划分网格目标的物理环境。(2)设定网格的划分方法。(3)网格参数的设置(尺寸、控制、膨胀等)。(4)为方便使用创建命名选项。(5)预览网格并进行必要的调整。(6)生成网格。(7)检查生成的网格质量。(8)准备分析网格。