什么是网格划分或网格生成？

庞杂的几何文件、复杂的几何结构，使得 CFD 仿真在网格制作上极其耗时。如何解放工程师的双手， 把更多的精力投入到结果分析和创新性能设计上，答案就在 Cadence Fidelity AutoMesh。

 

什么是网格划分或网格生成？

网格划分或网格生成可将几何表面和立方体分割成多个单元。根据这些单元，使用偏微分方程计算所需的变量。在网格划分过程中，二维表面用三角形和四边形来表示，而三维立方体被分割成四面体、四棱锥、三棱柱和六面体。

网格划分有三种类型：

1结构化网格划分

结构化网格的基本表示形式是三维数组，也就是说，将单元中心的（x,y,z）位置简单映射到数组中的（i,j,k）数值。因此，如果我们知道某个单元的（i,j,k）坐标，就自然会知道相邻单元位于（i±1,j±1,k±1）。结构化网格非常有助于进行高速仿真，因为求解器不需要存储相邻单元的查找列表，这将降低大量的成本。

从几何角度看，结构化网格的模块仅限于二维四边形或三维六面体单元，这些单元是用各种明确定义的数学技术生成的，从代数到共形映射再到偏微分方程的解。不过，结构化网格在几何上受限，对于复杂的形状，难以生成网格。现代的结构化网格通常是模块结构，包含多个缝合在一起的结构化网格。我们经常会发现，与其他单元类型相比，在四边形和六边形结构化网格上计算 CFD 的解要更为精确。

2非结构化网格划分

非结构化网格是指其基本表示方式中包括一个相邻单元的查找列表。非结构化网格在几何上是不受限制的，可以包括多边形（二维）或多面体（三维），面和边的数量不受限制。最常见的是借助 Delaunay 或阵面推进法生成的四面体网格。然而，纯六面体网格仍然可以是非结构化的，如果它们没有（i,j,k）坐标，将其称为“结构化网格”在形式上是不正确的。非结构化网格在工业 CFD 领域很受欢迎，因为可以相对容易地在复杂的几何形状上生成这类网格。然而，由此生成的单元往往属性不够完美，如偏斜过大和对齐效果欠佳，因此由于截断误差高和数值扩散，这往往会降低求解器的准确度。

3混合网格划分

为了完美兼顾准确度、速度和灵活性，一些现代 CFD 求解器会使用混合网格，它们由结构化模块和非结构化区域以及许多不同的单元类型组成。通常情况下，近壁面网格将使用棱柱层来表示边界层，然后随着网格不断偏离几何模型而过渡到其他单元类型。

为什么网格划分很重要？

网格的质量（由网格中每个单元的几何指标衡量）会影响 CFD 解决方案的准确性和收敛性。要想实现良好的仿真效果，在准确度和计算资源之间取得平衡非常重要，为此，要进行网格敏感性测试。对于某些几何形状，粗糙的网格就足以满足仿真需求。因此，CFD 应用的要求决定了所需的网格质量和求解准确度。

如何生成高保真网格？

网格划分是 CFD 工作流程中最耗时的部分，对仿真结果影响很大。

以下三个步骤可以确保生成高质量的网格：

01几何清理和水密几何体

 

清理几何体有助于节省仿真时间，这也是 CFD 分析的关键步骤，通常需要耗费几天甚至数周的时间，具体取决于几何体的复杂程度。确保几何体没有无关的特征、层和表面，有助于得出更精确的流体流动解。此外，水密几何体有助于求解器针对不同的流域进行仿真。

02物理学关键区域的网格细化

 

网格间距如果不能求解流体变量的局部变化，就会引入离散化误差。然而，如果网格过于精细，就会增加不必要的计算时间和工作量。因此，必须根据几何形状和应用来选择合适的网格大小。推荐利用网格细化来捕捉近壁面行为和复杂几何区域的物理现象。

03网格收敛性研究

 

网格收敛性研究是指在越来越精细的网格上运行仿真，直到流动变量不再有明显变化。通常需要对一个新的几何体进行一次研究，以确保网格足够精细，能够提供有价值的结果，同时不会过于精细，以至于需要过多的计算时间和内存。

通过 Cadence 进行网格划分

Cadence Fidelity Pointwise 是一个独立的 CFD 网格生成器，提供全面的功能，包括几何模型准备，使用各种技术生成网格，并与各种流体求解器兼容。在生成网格时，低层级实体将高层级实体粘合在一起，形成一个连续的网格，为网格构建技术和风格带来了很大的灵活性。这种灵活性根植于 Fidelity Pointwise 产品的网格划分理念，使其能够涵盖广泛的工作流程。此外，网格拓扑结构与 CAD 的几何形状无关，非常灵活。Fidelity Pointwise 的不同网格划分技术可以解决不同应用中的网格离散化问题。

Fidelity Pointwise 提供卓越的 CFD 网格划分技术

1	支持多种网格类型
2	几何模型修复
3	支持任何 CFD 求解器格式的网格划分

Fidelity Automesh 技术可以自动执行原本费时费力的几何体准备过程，同时不会损失任何几何体细节，近乎实时地为 CFD 分析提供高质量网格。Fidelity Automesh 解决方案将不同的网格划分技术整合到了一个工作流程之中。用户可以在 Fidelity 环境中轻松地将流动求解器与 Fidelity 网格划分技术结合使用，体验高度简化的工作流程。

Fidelity Automesh：

1	精简至自动化、可定制的工作流程
2	加速工程进度
3	整合 S2V 和 V2S 网格技术
4	混合结构-非结构网格划分无缝整合

无论是哪种类型和复杂程度的几何形状，Cadence 的网格划分软件都可以快速生成高质量的网格，供计算流体力学分析使用。

　　审核编辑：汤梓红