摘要

使用 Fidelity™ Pointwise®，为 NASA 高升力共同研究模型 (HL-CRM) 生成了四种类型的 CFD 网格（多块结构化、非结构化四面体、非结构化混合和混合重叠）。从几何处理到最终体积网格的生成，在此过程中吸取的经验教训都被记录下来。所有网格都作为构建网格系列的基线，用于第三届 AIAA 高升力预测研讨会和第一届 AIAA 几何和网格生成研讨会的网格敏感性研究。

介绍

AIAA 应用空气动力学技术委员会赞助了第三届高升力预测研讨会 (HLPW)，以评估计算流体动力学 (CFD) 代码当前对扫掠、中到高升力流动物理进行建模、模拟和数值预测的能力。处于着陆/起飞配置的高展弦比机翼飞机。因此，AIAA 网格划分、可视化和计算环境技术委员会赞助了第一届几何和网格生成研讨会 (GMGW)，以评估当前最先进的飞机和航天器几何准备和网格生成。

高升力通用研究模型 (HL-CRM) 几何形状用于第三届高升力预测研讨会 (HLPW) 的网格收敛研究，并作为第一届 GMGW 的案例研究。第一届 GMGW 的重点是确定并记录 HL-CRM 几何处理和网格生成的技术、软件和最佳实践。作为这项工作的一部分，生成了一组不同元素类型的基准网格作为研讨会的候选网格。

几何准备

A. 几何描述

两个研讨会中研究的 HL-CRM 配置基于大量实验和数值模拟中使用的高速配置模型。高升力配置最初包含塔架、机舱、内侧、外侧前缘缝翼以及内侧和外侧单缝襟翼。

为了适应研讨会的目标，吊架和机舱被拆除，这需要重新配置机翼和前缘缝翼。图 1 显示了内侧和外侧机翼下缝翼表面 (WUSS) 和前缘缝翼分别组合为一个 WUSS 和一个前缘缝翼。还对内侧和外侧单槽襟翼之间的间隙区域进行了修改，以创建一致的 1 英寸间隙，以简化网格生成。

图 1. HL-CRM 翼身配置，对前缘缝翼、缝翼表面下方的机翼以及内侧/外侧襟翼间隙进行了修改。

B. 几何处理

几何处理是在 HLPW 提供的初始图形交换规范 (IGES) 文件上执行的。Fidelity Pointwise 网格生成软件用于导入 IGES 文件。对几何形状进行了审查，以确定是否可以在相邻表面边缘之间建立具有适度公差的防水实体模型。翼身、前缘缝翼和内侧/外侧襟翼的实体模型是使用 Fidelity Pointwise 构建的，边缘公差为 0.014。

每个实体模型内的表面根据需要额外表面网格划分控制和/或存在硬特征边缘的区域组装成面组。当实体模型在流程的下游进行网格划分时，会在每个面组而不是每个原始曲面上创建单个曲面网格。图 2 中的插图显示了被子组装前后的 HL-CRM 表面。

图 2. HL-CRM 几何体用阴影表示在面组组装之前（左）和之后（右）在几何级别上定义的表面网格拓扑。

网格生成

A. 网格划分指南

本研究旨在根据 HLPW 提供的网格指南创建基线结构化多块、非结构化、混合和混合重叠中等网格，并用当前最佳实践补充这些指南。

远场表面网格位置指定为距离身体 100 CREF。身体、鼻子和尾巴附近的表面细胞尺寸要求约为 1.0% CREF。前缘和后缘的弦向间距设置为每个元件（缝翼、机翼和襟翼）测量的本地装置弦的大约 0.1%。根部和尖端的跨度间距要求为半跨度的 0.1%。最后，根据生成的网格级别设置后缘上的单元/点的数量。

在体积中，建议网格至少有两层垂直于粘性壁的恒定单元间距，并在网格族级别的边界层区域中使用缩放拉伸比，但值不超过 1.25。对于体积网格的其他建议包括在尾流区域提供额外的细化（如果可能，使用流对齐的单元）。缝翼和主翼元件后面的区域特别令人感兴趣，因为边界层与来自上游元件的尾流的对流和扩散之间存在潜在的相互作用。

B. 非结构化和混合网格生成

使用 Fidelity Pointwise 中的自动化工具基于平均等边边长在处理后的几何体上创建初始三角形表面网格。对根部和尖端的翼展方向间距以及每个单元的前缘和后缘的弦向间距进行了修改，以符合上一节中讨论的网格化准则。

应用网格化准则后对表面网格质量的审查首先关注三角形单元面积比。解决后缘处的高面积比需要在与后缘相邻的上表面网格和下表面网格上应用各向异性三角形。一旦满足表面网格质量并遵守表面网格划分准则，就可以对间隙区域的表面网格进行比较。

根据情况，在间隙中使用不同的技术来改善点和单元的匹配。表面网格的初始处理涉及在每个单元的 LE 外生长各向异性三角形，并使用网格化指南中指定的弦向间距。

图 3. 对于中型 HL-CRM 网格，显示了在恒定 Y 切割处围绕皮瓣的混合网格的两个视图。

表面网格修改完成后，T-Rex 网格划分算法用于根据中级网格的几个关键参数从完成的表面网格生成四面体层。第二种类型的中等网格是通过将边界层中的各向异性四面体与棱柱相结合来创建的，以生成包含棱柱、金字塔和四面体的混合网格。

C. 混合重叠生成

从连续混合网格开始，创建了混合重叠网格。连续的混合网格按照用户指定的距离实体边界分为近体区域和离体区域。混合网格的离体区域被删除，并被称为体素网格划分的自动分层非结构化网格划分过程所取代。

图 4.混合非结构化网格内的近体和离体区域。

通过将近体网格的边界面规定为分层网格划分过程的自适应输入，实现了近体混合网格和离体体素网格之间的适当重叠插值模板。可选的后处理步骤将悬挂节点分层网格转换为四面体、金字塔和六面体元素的完全连接的非结构化网格，以便与通用非结构化网格流求解器一起使用。

重叠网格组件会切除模型内的离体网格部分，并计算网格之间插值的模板。HL-CRM 模型的重叠网格组装是通过与通用重叠网格组装软件包 Suggar++ 集成在 Fidelity Pointwise 应用程序中进行的。Sugar++ 的孔切割直接切割方法和重叠最小化功能显着减少了装配过程中的用户交互。

D. 结构化多块网格生成

为了创建结构化多块网格，将几何模型导入 Fidelity Pointwise 中，并通过与之前描述的不同的程序进行网格划分。导入时，CAD 中的修剪曲面将提升为 Fidelity Pointwise 中的绗缝实体。在为中等结构网格中的拓扑生成网格曲线时，沿单个表面边缘生成多条网格曲线，而不是一条网格曲线。

从拓扑的角度来看，该几何结构具有几个对结构化网格具有挑战性的特征。创造性的网状拓扑的使用很好地解决了这些难题。然而，局部聚类要求和生成平滑的网格需要小心地塑造拓扑和分布网格曲线。襟翼和缝翼与机翼的接近度及其局部几何形状给创建合理的正交拓扑带来了挑战，同时还允许控制局部壁集群。板条压力侧的曲率也需要采用局部 OH 型拓扑进行特殊处理，如图 5 所示。

图 5. 在机身机头创建 OH 型拓扑并传播到远场。

最后一个要涵盖的区域是体积网格。保持网格要求，特别是壁间距，同时管理整体单元和点计数，引入了体积网格内部的一些点分布问题。一般来说，它产生了良好的正交网格质量。然而，在保持指导中等网格壁间距的同时，从体积网格的一侧到另一侧的分布变化会导致近壁层中的一些单元倾斜。必要时，只需在椭圆 PDE 求解器中进行几次迭代即可改进倾斜单元，并使用 Steger-Sorenson 边界控制函数来控制壁的正交性和间距。

结论

已生成一组中等基线网格，供第三届高升力预测研讨会和第一届几何和网格生成研讨会考虑。在每种类型网格的网格生成过程中，应用了 HLPW 的网格化指南，然后进行评估以确定是否可以全部遵循这些指南以及是否需要其他指南，或者网格类型是否会影响对某些指南的遵守。

对于非结构化、混合和混合重叠网格的开发，确定了网格后缘上的点数规格以及弦向和翼展方向所需的间距会产生不符合要求的表面网格。高面积比。根据网格划分经验，非结构化和混合网格中的高面积比可能导致高体积比和体积单元偏斜。在结构化多块网格的情况下，主要关注点是几何形状的准确表示以及遵守中等水平的网格壁间距要求。

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