什么是網(wǎng)格劃分或網(wǎng)格生成？

龐雜的幾何文件、復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，使得 CFD 仿真在網(wǎng)格制作上極其耗時(shí)。如何解放工程師的雙手， 把更多的精力投入到結(jié)果分析和創(chuàng)新性能設(shè)計(jì)上，答案就在 Cadence Fidelity AutoMesh。

什么是網(wǎng)格劃分或網(wǎng)格生成？

網(wǎng)格劃分或網(wǎng)格生成可將幾何表面和立方體分割成多個(gè)單元。根據(jù)這些單元，使用偏微分方程計(jì)算所需的變量。在網(wǎng)格劃分過(guò)程中，二維表面用三角形和四邊形來(lái)表示，而三維立方體被分割成四面體、四棱錐、三棱柱和六面體。

網(wǎng)格劃分有三種類(lèi)型：

1結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的基本表示形式是三維數(shù)組，也就是說(shuō)，將單元中心的（x,y,z）位置簡(jiǎn)單映射到數(shù)組中的（i,j,k）數(shù)值。因此，如果我們知道某個(gè)單元的（i,j,k）坐標(biāo)，就自然會(huì)知道相鄰單元位于（i±1,j±1,k±1）。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格非常有助于進(jìn)行高速仿真，因?yàn)榍蠼馄鞑恍枰鎯?chǔ)相鄰單元的查找列表，這將降低大量的成本。

從幾何角度看，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的模塊僅限于二維四邊形或三維六面體單元，這些單元是用各種明確定義的數(shù)學(xué)技術(shù)生成的，從代數(shù)到共形映射再到偏微分方程的解。不過(guò)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在幾何上受限，對(duì)于復(fù)雜的形狀，難以生成網(wǎng)格。現(xiàn)代的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通常是模塊結(jié)構(gòu)，包含多個(gè)縫合在一起的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，與其他單元類(lèi)型相比，在四邊形和六邊形結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上計(jì)算 CFD 的解要更為精確。

2非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格是指其基本表示方式中包括一個(gè)相鄰單元的查找列表。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在幾何上是不受限制的，可以包括多邊形（二維）或多面體（三維），面和邊的數(shù)量不受限制。最常見(jiàn)的是借助 Delaunay 或陣面推進(jìn)法生成的四面體網(wǎng)格。然而，純六面體網(wǎng)格仍然可以是非結(jié)構(gòu)化的，如果它們沒(méi)有（i,j,k）坐標(biāo)，將其稱(chēng)為“結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格”在形式上是不正確的。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在工業(yè) CFD 領(lǐng)域很受歡迎，因?yàn)榭梢韵鄬?duì)容易地在復(fù)雜的幾何形狀上生成這類(lèi)網(wǎng)格。然而，由此生成的單元往往屬性不夠完美，如偏斜過(guò)大和對(duì)齊效果欠佳，因此由于截?cái)嗾`差高和數(shù)值擴(kuò)散，這往往會(huì)降低求解器的準(zhǔn)確度。

3混合網(wǎng)格劃分

為了完美兼顧準(zhǔn)確度、速度和靈活性，一些現(xiàn)代 CFD 求解器會(huì)使用混合網(wǎng)格，它們由結(jié)構(gòu)化模塊和非結(jié)構(gòu)化區(qū)域以及許多不同的單元類(lèi)型組成。通常情況下，近壁面網(wǎng)格將使用棱柱層來(lái)表示邊界層，然后隨著網(wǎng)格不斷偏離幾何模型而過(guò)渡到其他單元類(lèi)型。

為什么網(wǎng)格劃分很重要？

網(wǎng)格的質(zhì)量（由網(wǎng)格中每個(gè)單元的幾何指標(biāo)衡量）會(huì)影響 CFD 解決方案的準(zhǔn)確性和收斂性。要想實(shí)現(xiàn)良好的仿真效果，在準(zhǔn)確度和計(jì)算資源之間取得平衡非常重要，為此，要進(jìn)行網(wǎng)格敏感性測(cè)試。對(duì)于某些幾何形狀，粗糙的網(wǎng)格就足以滿(mǎn)足仿真需求。因此，CFD 應(yīng)用的要求決定了所需的網(wǎng)格質(zhì)量和求解準(zhǔn)確度。

如何生成高保真網(wǎng)格？

網(wǎng)格劃分是 CFD 工作流程中最耗時(shí)的部分，對(duì)仿真結(jié)果影響很大。

以下三個(gè)步驟可以確保生成高質(zhì)量的網(wǎng)格：

01幾何清理和水密幾何體

清理幾何體有助于節(jié)省仿真時(shí)間，這也是 CFD 分析的關(guān)鍵步驟，通常需要耗費(fèi)幾天甚至數(shù)周的時(shí)間，具體取決于幾何體的復(fù)雜程度。確保幾何體沒(méi)有無(wú)關(guān)的特征、層和表面，有助于得出更精確的流體流動(dòng)解。此外，水密幾何體有助于求解器針對(duì)不同的流域進(jìn)行仿真。

02物理學(xué)關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化

網(wǎng)格間距如果不能求解流體變量的局部變化，就會(huì)引入離散化誤差。然而，如果網(wǎng)格過(guò)于精細(xì)，就會(huì)增加不必要的計(jì)算時(shí)間和工作量。因此，必須根據(jù)幾何形狀和應(yīng)用來(lái)選擇合適的網(wǎng)格大小。推薦利用網(wǎng)格細(xì)化來(lái)捕捉近壁面行為和復(fù)雜幾何區(qū)域的物理現(xiàn)象。

03網(wǎng)格收斂性研究

網(wǎng)格收斂性研究是指在越來(lái)越精細(xì)的網(wǎng)格上運(yùn)行仿真，直到流動(dòng)變量不再有明顯變化。通常需要對(duì)一個(gè)新的幾何體進(jìn)行一次研究，以確保網(wǎng)格足夠精細(xì)，能夠提供有價(jià)值的結(jié)果，同時(shí)不會(huì)過(guò)于精細(xì)，以至于需要過(guò)多的計(jì)算時(shí)間和內(nèi)存。

通過(guò) Cadence 進(jìn)行網(wǎng)格劃分

Cadence Fidelity Pointwise 是一個(gè)獨(dú)立的 CFD 網(wǎng)格生成器，提供全面的功能，包括幾何模型準(zhǔn)備，使用各種技術(shù)生成網(wǎng)格，并與各種流體求解器兼容。在生成網(wǎng)格時(shí)，低層級(jí)實(shí)體將高層級(jí)實(shí)體粘合在一起，形成一個(gè)連續(xù)的網(wǎng)格，為網(wǎng)格構(gòu)建技術(shù)和風(fēng)格帶來(lái)了很大的靈活性。這種靈活性根植于 Fidelity Pointwise 產(chǎn)品的網(wǎng)格劃分理念，使其能夠涵蓋廣泛的工作流程。此外，網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與 CAD 的幾何形狀無(wú)關(guān)，非常靈活。Fidelity Pointwise 的不同網(wǎng)格劃分技術(shù)可以解決不同應(yīng)用中的網(wǎng)格離散化問(wèn)題。

Fidelity Pointwise 提供卓越的 CFD 網(wǎng)格劃分技術(shù)

Fidelity Automesh 技術(shù)可以自動(dòng)執(zhí)行原本費(fèi)時(shí)費(fèi)力的幾何體準(zhǔn)備過(guò)程，同時(shí)不會(huì)損失任何幾何體細(xì)節(jié)，近乎實(shí)時(shí)地為 CFD 分析提供高質(zhì)量網(wǎng)格。Fidelity Automesh 解決方案將不同的網(wǎng)格劃分技術(shù)整合到了一個(gè)工作流程之中。用戶(hù)可以在 Fidelity 環(huán)境中輕松地將流動(dòng)求解器與 Fidelity 網(wǎng)格劃分技術(shù)結(jié)合使用，體驗(yàn)高度簡(jiǎn)化的工作流程。

Fidelity Automesh：

無(wú)論是哪種類(lèi)型和復(fù)雜程度的幾何形狀，Cadence 的網(wǎng)格劃分軟件都可以快速生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，供計(jì)算流體力學(xué)分析使用。

審核編輯：湯梓紅