CFD 設(shè)計(jì)利器：結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的組合使用

在 CFD 的發(fā)展歷史中，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格出現(xiàn)最早，至今仍在使用。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，如精度高、生成速度快、單元分布均勻。有些工具擅長(zhǎng)繪制這類(lèi)網(wǎng)格，例如Cadence Fidelity Automesh（曾用名 Autogrid），非常適合帶有幾何形狀葉片的渦輪機(jī)械應(yīng)用。

01

結(jié)構(gòu)化or非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格選擇，兩難境地？

隨著幾何形狀的復(fù)雜性不斷增加（現(xiàn)在通常有超過(guò) 10k 個(gè)曲面），對(duì)另一種網(wǎng)格的需求應(yīng)運(yùn)而生，也就是具有非結(jié)構(gòu)化特性的網(wǎng)格。某些幾何圖形的問(wèn)題在于它們?cè)诙x方面不夠準(zhǔn)確（即所謂的“不整潔”），而且它們不表現(xiàn)出任何可以應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格拓?fù)涞奶囟ㄚ厔?shì)。CFD 用戶(hù)必須花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)定義這些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，還要在開(kāi)始繪制網(wǎng)格之前“清理”幾何體。換句話說(shuō)，一旦幾何體超出了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的經(jīng)典應(yīng)用范圍，問(wèn)題就來(lái)了：應(yīng)當(dāng)在什么時(shí)候堅(jiān)持創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，或是簡(jiǎn)單地切換到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格？

如果只考慮需要捕捉的物理現(xiàn)象和所需的精確水平，這個(gè)問(wèn)題就很容易回答。然而，還有另外一個(gè)因素需要考慮：流動(dòng)求解器必須能夠讀取使用的網(wǎng)格類(lèi)型，而由于大多數(shù)流動(dòng)求解器只接受結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的一種，這就會(huì)讓人陷入兩難的境地。

02

解決方案：面對(duì)不同幾何體，怎樣自由切換？

正是在這種看似無(wú)解的情況下，Cadence 在 CFD 工具中提供了一種創(chuàng)新的解決方案。用戶(hù)只需單擊一下，就可以自由切換不同的網(wǎng)格劃分方法，不僅可以在同一項(xiàng)目中，還可以在同一視圖中查看幾何體的所有部分，無(wú)論首選的是哪種網(wǎng)格劃分技術(shù)。

對(duì)于葉片類(lèi)幾何體，用戶(hù)可以選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，而對(duì)于非旋轉(zhuǎn)部件，如燃燒室、渦輪等，用戶(hù)可以選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，這兩種方法都可在 Automesh 中使用（非結(jié)構(gòu)化模塊以前被稱(chēng)為 Hexpress）。下面我們以一臺(tái)完整的渦輪機(jī)械為例。每個(gè)部分都可以單獨(dú)完成，網(wǎng)格生成本身也是并行完成的。這樣一來(lái)，同時(shí)運(yùn)行各個(gè)部分僅僅需要 19 分鐘。

因此，越來(lái)越多的用戶(hù)根據(jù)具體的幾何組件來(lái)選擇最佳方法。這方面的例子有很多，如葉輪及其渦殼、船舶及其螺旋槳等。

03

在一個(gè)幾何體的不同位置使用兩種網(wǎng)格劃分方法

讓我們?cè)龠M(jìn)一步：既然 Cadence 在 Automesh 中提供了兩種網(wǎng)格劃分方法，那么在一個(gè)幾何體的不同位置同時(shí)使用這兩種方法會(huì)怎樣？我們之前說(shuō)過(guò)，葉片最好使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模塊創(chuàng)建（該模塊還支持許多特殊配置，如冷卻孔、非對(duì)稱(chēng)端壁、外殼處理等）。但對(duì)于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成器來(lái)說(shuō)，幾何體的某些部分仍然很難處理。因此，有一種技術(shù)是從結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中移除幾個(gè)網(wǎng)格塊（避開(kāi)難以處理的部分），然后重新插入一個(gè)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格塊，其中包括復(fù)雜的尖端幾何形狀（如下圖所示）。也就是說(shuō)，網(wǎng)格的大部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而最復(fù)雜的部分則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

但并非只有這一種辦法。Cadence 還提出了使用初始結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的想法。對(duì)于“體到面”的方法，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格通常是基于一個(gè)初始的直角坐標(biāo)或圓柱形網(wǎng)格，然后進(jìn)一步細(xì)化。而實(shí)際上，細(xì)化可以從任何類(lèi)型的單元對(duì)齊開(kāi)始：任何形狀上的直線或曲線，并且支持不同的單元分布。

有些應(yīng)用非常適合這種方法：水翼仿真就是一個(gè)很好的例子。該網(wǎng)格由船舶仿真背景域上的重疊網(wǎng)格組成。重疊網(wǎng)格遵循水翼的幾何曲線，寬度以弦長(zhǎng)為基礎(chǔ)，長(zhǎng)度以跨距為基礎(chǔ)。仿真結(jié)果的表現(xiàn)如下：

全局網(wǎng)格質(zhì)量極佳（因此網(wǎng)格生成速度更快）

粘性層高度符合理論預(yù)期

對(duì)于求解器插值來(lái)說(shuō)，overset 邊界的單元質(zhì)量達(dá)到最佳

這正是因?yàn)?Cadence Fidelity Flow 求解器的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以同時(shí)理解兩種網(wǎng)格劃分技術(shù)。其好處立竿見(jiàn)影：用戶(hù)不再需要從結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格轉(zhuǎn)換到非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，可以從網(wǎng)格直接切換到求解器，而且流動(dòng)求解器可以使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的最佳組合。