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；或者在一条边上设置节点间隔同时背向增长等。面网格的划分，对于非结构网格生成非常简单，而对于结构网格有时比较麻烦，这就要求对那几种网格策略比较了解，比如Quad-Map划分方法所适用的模型形状，在

划分的时候对顶点类型及网格节点数的要求（Quad-Map，适用于边数大于或等于4的面，顶点要求为4个End类型，其他为Side类型，对应边的网格节点数必须相等），以此类推，其他的划分方法也有这方面的要求以及适合的形状。关于体网格的划分，在很大程度上是受到面网格的限制，面网格的类型相应的决定了体网格的类型，同时其注意事项与面网格划分所要注意的类似。

5 网格质量修正

在gambit中，首次生成的网格往往不能满足需求，特别是对于外形较为复杂的模型，通常会出现一些高Skewness单元。这些高Skewness的单元对计算收敛影响很大，很多时候计算发散的原因就是网格中的仅仅几个高Skewness的单元。因此，在划分好网格后，预览检查网格的质量是很有必要的。通过检查网格质量，能够很快找到高Skewness的单元（Skewness不能高于0.95，最好在0.90以下，并且越小越好），就可以按照Skewness较大的单元数的多少来进行修正：

（1）Skewness较大单元数较多

出现这样的情况，首先通过预览网格质量，找到Skewness较大单元的主要区域，查看对应边线网格的节点设置是否相同。不同，则直接进行修改，相同，则检查相邻边的节点间隔大小，是否是因为两边的节点间隔相差较大而导致出现高Skewness的网格单元。同时还需要注意分块网格的衔接，同边、面的设置一定要相同。如果这些都没有问题，还可以通过修改整体网格的大小来减小Skewness，一般采用减小节点间隔，增加节点数量的方法来进行重新划分。

（2）Skewness较大单元数很少

针对这种情况，则需要有比较丰富的网格划分经验，修改整体网格或者大部分网格的方法已经无法解决这些高Skewness单元，因此只能通过局部修改的方法。首先还是需要找到高Skewness的单元，仔细查看与其相关的边和点。通过分析，可以发现这些点出现在以下情况：一是在周边一个小区域内模型的外表状况复杂，生成的网格受到多条边、多个面的限制——其Skewness的值可以通过调整与之相关的边节点密度（一般采用减小网格单元长方向上对应边的节点间隔，）。二是在边夹角、面夹角成锐角的区域，网格受到夹角大小的制约，导致网格单元沿夹角方向生成的Skewness很大，这也就说明在gambit网格生成中不能存在这样的夹角外形，因此只能通过修改模型，去除较小的夹角。

如何在gambit中提高网格质量

[ 2008-9-17 12:15:00 | By: 马叉虫 ] 经常在网上看到一些网友为gambit划分不出好的网格质量而烦恼。

要生成一套好的网格，我觉得以下几点是很必要的：

1.选择一款好的网格生成软件；

2.确保实体尽量简洁；

3.合理布置线上节点；

但是，对于一些初学者来说，gridgen等专业点的网格划分软件在短时间内是很难掌握的，所以大部分人还是喜欢用gambit。对于gambit来说，有的时候满足了条件2，3，仍然有可能生成质量很差的网格，这个时候就需要手动调整以提高网格质量了。下面我将以一个例子来详细讲解一下如何在gambit中提高网格质量。

这个是个简单的楔形体，包括附面层网格。该网格满足实体简单，节点的布置也合理，但是生成的网格质量很差，主要是在楔形体尾部附面层网格与三角形网格交接的地方。

该图为放大图，从中可以看出有一个网格基本上已经退化成一条线了，从而导致整个网格最大的倾斜率超过了0.99。

解决方法一：

由于质量差的网格集中在附面层与三角形网格过渡的地方，可以从改变附面层网格分布入手。

改变楔形体三个顶点的类型，将其改为side，从而改变附面层网格。

改变附面层网格分布后，重新生成的网格质量提高了不少。

解决方法二：

改变三角形网格分布。

选择调整面网格的节点分布。

手动调整质量差的网格的节点，使其分布合理。

通过调整后，最大倾斜率小于0.91了。该质量的网格基本上就能导入fluent计算了，通过fluent中的s mooth/swap功能，还能进一步提高网格质量。

以上例子只是给网友一个在gambit中调整网格的思路，希望能解决一部分人的问题。

其实，提高网格质量最好的办法就是将坏的网格merge到好的网格中，可惜我目前还没有在gambit中发现该功能。有机会再跟大家探讨一下在tgrid中如何用merge功能提高网格质量。