工业技术之美探索：流体分析的网格策略

流体广泛存在自然界及工程科技当中，并被艺术家及科学家青眼相加。而其中最为迷人的便是湍流，而湍流本质上是非稳态的、三维的、非周期的漩涡流动，正是这种复杂而迷人的结构不仅激发了艺术家超凡的想象力，也让科学家穷尽毕生心力去探索其中的奥秘。

梵高眼中的星空（世界的本质是混沌）

达芬奇笔下的流体（浓烈的科学意味）

正是湍流这种迷人的特质，让它广泛应用于工程领域当中。除了实验研究之外，工程及科研当中应用最多的便是仿真技术。流体仿真大多采用有限体积法，而要得到一个精确的结果，计算域的离散即网格的剖分至关重要，因此选择合适的网格剖分工具往往能够让我们达到事半功倍的效果。

对于大多数工程师而言，流体仿真的前处理是枯燥而乏味的，其实网格剖分本身就蕴含了工程之美，并让工程人员体验到其中的艺术乐趣，并乐此不疲。

最有艺术感的网格工具：ICEM CFD

做网格也可以很艺术。

ICEM CFD结构化网格雕塑（HexaMesher）：独有的算法和Block及O-Grid技术，让网格划分变得艺术感十足，让本来枯燥的工作像雕塑家罗丹（作品沉思着）一样，变得富有艺术魅力。一些工程师甚至陷入一种六面体网格执念当中（工程当中的理想主义者呀！），ICEM CFD的魅力由此可见一斑。

全六面体网格

此外此技术还可以对任意复杂结构不用进行几何清理，即可进行小特征无关纯六面体网格划分，映射技术对几何模型的质量要求极低：自动修补几何表面的裂缝或洞、虚拟拓扑可将零散小面自动组合成一个整体面、自动忽略细微结构……，从而生成光滑的贴体网格。

同时作为ANSYS家族的一款专业分析环境,还可以集成于ANSYS Workbench平台, 获得Workbench的所有优势，它在ANSYSWorkbench协同仿真环境下作为其“高级网格处理AdvancedMesher”模块的CFDAdd-on模块，专门用于流体力学分析的高级网格处理。

ANSYSWorkbench平台当家“花旦”：ANSYS meshing

提到ANSYS Workbench平台，不得不提Workbench的当家小花旦ANSYSmeshing这款强大的网格划分工具，尽管他看上去中规中矩似乎并没有什么特别亮眼的看家本领。却是ANSYS当之无愧的当家，对于较为复杂的工程问题具有很好的处理能力，同时它是结构仿真与流体仿真公用的一款专用前处理工具，可以自动生成原先需要专业知识才能生成的复杂网格，并且对于复杂装配体可以自动检测接触区域，特别的，适合大规模模型（装配体）的处理。

流体分析无往不胜的利器：Fluent meshing

对于结构特别复杂，十分“脏”的几何，往往让工程师花费大量的时间在前处理上，几乎占据了整个仿真分析流程的60%左右的时间，因此高效的处理这些“脏”几何，复杂的工程几何变得十分重要。Fluentmeshing对于比较“脏”的几何提供了强大快速的处理方法“wrapper”生成面网格。“wrapper”特点用“一张蒙皮”包络出外表面或者在结构内部用“一个气球”膨胀出内部边界，可以自动处理间隙、重叠等几何缺陷，过滤掉不必要的几何细节，修补大的孔洞。

此外还可以通过join/intersect合并网格，处理交叉面网格，通过Thin Volume生成气隙棱柱网格。

多面体网格功能，把12个四面体可以合并为1个多面体网格，可以大大减少网格量，提高计算精度。多面体网格的最大的优点是它有很多邻居单元（通常为10），所以能更精确地计算控制体的梯度(采用线性分布和利用最近的邻居单元即可)。甚至在边部和角部，多面体网格通常也会有多个邻居单元，这样可以正常计算梯度和局部流动分布。当然邻居控制体越多，需要内存和每个网格上计算量越大，这些可在精度上得到补偿。

Fluent meshing已经和Fluent求解器完美集成在一起，成为Fluent“御用”求解器。对于复杂或者“脏”几何，Fluent meshing是高效的无往不利的工具。

针对不同的应用场景，选择不同的工具，往往能够让我们的工作事半功倍。

先进网格技术

网格自适应技术

FLUENT采用网格自适应技术，可根据计算中得到的流场结果反过来调整和优化网格，从而使得计算结果更加准确。这是目前在CFD技术中提高计算精度最重要的技术之一，尤其对于有波系干扰、分离等复杂物理现象的流动问题，采用自适应技术能够有效地捕捉到流场中的细微的物理现象，大大提高计算精度。FLUENT具有多种自适应选项，可以对物理量值、物理量的空间微分值（如压力梯度）、网格容积变化率、壁面y*/y+值等进行自适应。

动网格技术

FLUENT的动网格技术非常强大，它提供了弹簧压缩法、动态铺层法、局部重构法三种网格重建方法，三种方法可以任意组合模拟流场的复杂运动，例如弹箭发射/投放、气动热分析中的绝热层烧蚀动态模拟等。此外FLUENT还提供了三种专用的动网格模型：活塞运动、6DOF投放以及2.5D模型。

OverSetmesh技术

重叠网格在航天领域的应用

重叠网格算法更加容易精细处理内埋式、多体分离等问题。

通过overset interface连接重叠网格单元区域，单独划分Parts网格，并将其嵌入到背景网格中。重叠区域的连通是通过网格单元数据插值来实现的，网格之间需要有足够的重叠。

主要优势：克服了动网格的一些限制，可以处理具有小缝隙部件的相对网格运动。易用：简化了复杂几何的网格生成，避免了动网格应用中网格重构失败和动网格设置的一些问题，更容易的构型变化和组件交换。

求解质量：重叠网格在网格运动期间始终可以保持很高的网格质量，局部结构网格在非结构网格中的使用。并且与Fluent支持的所有网格单元和类型都兼容，与网格自适应兼容。

流体仿真的工程问题，需要我们综合考虑模型处理难度，精度要求以及计算资源等多方面因素，因此选择合适的前处理工具和高效的网格技术至关重要，通过上面的解析希望能够为大家的仿真前处理提供一定的借鉴，让我们的工作不仅高效而且富有艺术创造的质感。

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