網格生成技術及其應用

趙曉輝

(西華大學能源與動力工程學院，四川 成都 610039)

前言

計算流體動力學(CFD)中,按一定規律分布于流場中的離散點的集合叫網格,產生這些節點的過程叫網格生成。網格生成是連接幾何模型和數值算法的紐帶,幾何模型只有被劃分成一定標準的網格時才能對其進行數值求解,一般而言,網格劃分越密,得到的結果就越精確,但耗時也越多。數值計算結果的精度及效率主要取決于網格及劃分時所采用的算法,它和控制方程的求解是數值模擬中最重要的兩個環節。網格生成技術已經發展成為流體機械CFD的一個重要分支。

1 網格生成方法概述

積分區域的網格劃分直接影響到方程離散的難易，數值計算速度的快慢和所需計算機內存的大小，也影響到數值解的收斂性和準確性。數值計算中所用網格有很多種分類方法，按網格是否正交，可分為正交網格和非正交網格；按網格節點排列是否有序，可分為結構化網格和非結構化網格；按網格是否以適應計算間歇的特點，可分為自適應網格和非自適應網格；按計算區域中所包含網格的種類，分為多塊網格和單塊網格；按網格是否跟隨計算界面移動，可分為靜止網格和運動網格等等。在一個區域中，網格的形式可以是單一的，也可以是幾種形式的組合。

2 結構化網格

結構化網格是指網格區域內所有的內部點都具有相同的毗鄰單元。結構化網格主要分為正交曲線坐標系中常規網格、對角直角坐標法、適體坐標法和塊結構化網格。其中正交曲線坐標系中的常規網格是網格生成技術中最古老、最基本和概念上最簡單的網格生成法，它包括:直角坐標系的矩形網格,圓柱坐標系和球坐標系的曲線網格。在結構化網格中,容易實現區域的邊界擬合，適于流體和表面應力集中等方面的計算，這種結構網格具有生成速度快、質量好，數據結構簡單，與實際的模型更容易接近等優點。而它的典型的缺點是只適用于形狀規則的圖形，適用的范圍比較窄。隨著計算機和數值方法的快速發展，人們對求解區域的幾何形狀的復雜性的要求越來越高，就需要我們運用其他的網格生成技術來解決問題。

3 非結構化網格

同結構化網格的定義相對應，非結構化網格是指網格區域內的內部點不具有相同的毗鄰單元。即與網格剖分區域內的不同內點相連的網格數目不同。從定義上可以看出，結構化網格和非結構化網格有相互重疊的部分，即非結構化網格中可能會包含結構化網格的部分。非結構化網格技術主要彌補了結構化網格不能解決任意形狀和任意連通區域的網格剖分的缺陷。在這種網格中,單元與節點的編號無固定規則可遵循,而且每一個節點的鄰點個數也不是固定不變的。因此,非結構化網格中節點和單元的分布可控性好,能夠較好地處理邊界,適用于流體機械中復雜結構模型網格的生成。非結構化網格生成方法在其生成過程中采用一定的準則進行優化判斷,因而能生成高質量的網格,很容易控制網格大小和節點密度。

4 混合網格

近年來，結合結構網格和非結構網格優勢的混合網格技術受到CFD工作者的普遍重視。混合網格具有剖分靈活、易于實現網格自適應等優點，適于處理復雜邊界問題，因此被廣泛地應用。混合網格主要有以下幾種：三棱柱/四面體網格、針對多部件或多體復雜外形的混合網格和矩形/非結構混合的網格等。

對于一些工程或學術問題，幾何具有如下特征：部分區域非常規則、簡單，適合使用結構網格劃分；另外的區域幾何形狀很復雜，使用非結構網格劃分更容易。

5 基于ICEM CFD網格劃分技術應用

目前，比較成熟的網格生成軟件有ICEM CFD、GAMBIT、Gridgen、GridPro等。其中ICEM CFD是專業的CAE前處理軟件，它擁有強大的CAD模型修復能力、自動中面抽取、獨特的網格“雕塑”技術、網格編輯技術以及廣泛的求解器支持能力。用ICEM CFD生成網格非常靈活，可以生成結構、非結構網格和混合網格，而快速生成的非結構化網格主要為六面體網格形態，以解決具有復雜外形的網格生成問題。ICEM CFD的一個重要的特點是交互性強，用戶可以查看網格生成的質量并對網格進行調整。利用ICEM CFD進行物理建模及網格劃分，也要靠一定的經驗，不斷嘗試、試算，生成網格的操作步驟是：(1)設置劃分網格目標的物理環境。(2)設定網格的劃分方法。(3)網格參數的設置(尺寸、控制、膨脹等)。(4)為方便使用創建命名選項。(5)預覽網格并進行必要的調整。(6)生成網格。(7)檢查生成的網格質量。(8)準備分析網格。

6 總結與展望

目前網格生成技術已比較成熟,能生成較高質量的網格,但還有許多難題沒有得到徹底解決，如在網格劃分效率、單元質量等方面還有待進一步提高。通過分析當前網格生成技術,總結出網格生成技術的發展方向：

(1)和實體造型系統的集成。CFD軟件的基本要求是能夠不通過用戶的交互作用,直接從CAD造型系統中所提供的完備的幾何描述中獲取有限元計算和分析所必須的數據。幾何造型系統和網格自動生成系統的集成成為發展的必然趨勢。

(2)網格生成的智能化。目前的網格生成算法及其軟件還需要人工干預,增加了用戶使用的復雜性,工程技術人員一直希望有一種便捷、易用、能夠充分利用經驗,并根據目標特征自動給出合理的網格剖分結果的智能化網格劃分軟件。

(3)多種算法的結合。前面已經分析了各種算法的優缺點,這些算法各有所長,如何實現這些算法的結合,取長補短,一直是近期研究的熱點。

參考文獻：

[1] 劉厚林,董亮,王勇,王凱,路明臻.流體機械CFD中的網格生成方法進展[J].流體機械,2010,04:32-37+22.

[2] 陳斌,郭烈錦.非結構化網格快速生成技術[J].西安交通大學學報,2000,01:18-21+29.