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最新网格生成及修正技巧.docx
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最新网格生成及修正技巧
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
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
[2008-9-1712:
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smooth/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。
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