网格划分入门：理解CFD仿真的基石

庞杂的几何文件、复杂的几何结构，使得 CFD 仿真在网格制作上极其耗时。如何解放工程师的双手， 把更多的精力投入到结果分析和创新性能设计上，答案就在 Cadence Fidelity AutoMesh。

什么是网格划分或网格生成？

网格划分或网格生成可将几何表面和立方体分割成多个单元。根据这些单元，使用偏微分方程计算所需的变量。在网格划分过程中，二维表面用三角形和四边形来表示，而三维立方体被分割成四面体、四棱锥、三棱柱和六面体。

网格划分有三种类型：

1、结构化网格划分

结构化网格的基本表示形式是三维数组，也就是说，将单元中心的（x,y,z）位置简单映射到数组中的（i,j,k）数值。因此，如果我们知道某个单元的（i,j,k）坐标，就自然会知道相邻单元位于（i±1,j±1,k±1）。结构化网格非常有助于进行高速仿真，因为求解器不需要存储相邻单元的查找列表，这将降低大量的成本。

从几何角度看，结构化网格的模块仅限于二维四边形或三维六面体单元，这些单元是用各种明确定义的数学技术生成的，从代数到共形映射再到偏微分方程的解。不过，结构化网格在几何上受限，对于复杂的形状，难以生成网格。现代的结构化网格通常是模块结构，包含多个缝合在一起的结构化网格。我们经常会发现，与其他单元类型相比，在四边形和六边形结构化网格上计算 CFD 的解要更为精确。

2、非结构化网格划分

非结构化网格是指其基本表示方式中包括一个相邻单元的查找列表。非结构化网格在几何上是不受限制的，可以包括多边形（二维）或多面体（三维），面和边的数量不受限制。最常见的是借助 Delaunay 或阵面推进法生成的四面体网格。然而，纯六面体网格仍然可以是非结构化的，如果它们没有（i,j,k）坐标，将其称为“结构化网格”在形式上是不正确的。非结构化网格在工业 CFD 领域很受欢迎，因为可以相对容易地在复杂的几何形状上生成这类网格。然而，由此生成的单元往往属性不够完美，如偏斜过大和对齐效果欠佳，因此由于截断误差高和数值扩散，这往往会降低求解器的准确度。

3、混合网格划分

为了完美兼顾准确度、速度和灵活性，一些现代 CFD 求解器会使用混合网格，它们由结构化模块和非结构化区域以及许多不同的单元类型组成。通常情况下，近壁面网格将使用棱柱层来表示边界层，然后随着网格不断偏离几何模型而过渡到其他单元类型。

为什么网格划分很重要？

网格的质量（由网格中每个单元的几何指标衡量）会影响 CFD 解决方案的准确性和收敛性。要想实现良好的仿真效果，在准确度和计算资源之间取得平衡非常重要，为此，要进行网格敏感性测试。对于某些几何形状，粗糙的网格就足以满足仿真需求。因此，CFD 应用的要求决定了所需的网格质量和求解准确度。

如何生成高保真网格？

网格划分是 CFD 工作流程中最耗时的部分，对仿真结果影响很大。

以下三个步骤可以确保生成高质量的网格：

01 几何清理和水密几何体

清理几何体有助于节省仿真时间，这也是 CFD 分析的关键步骤，通常需要耗费几天甚至数周的时间，具体取决于几何体的复杂程度。确保几何体没有无关的特征、层和表面，有助于得出更精确的流体流动解。此外，水密几何体有助于求解器针对不同的流域进行仿真。
       

02 物理学关键区域的网格细化

网格间距如果不能求解流体变量的局部变化，就会引入离散化误差。然而，如果网格过于精细，就会增加不必要的计算时间和工作量。因此，必须根据几何形状和应用来选择合适的网格大小。推荐利用网格细化来捕捉近壁面行为和复杂几何区域的物理现象。

03 网格收敛性研究

网格收敛性研究是指在越来越精细的网格上运行仿真，直到流动变量不再有明显变化。通常需要对一个新的几何体进行一次研究，以确保网格足够精细，能够提供有价值的结果，同时不会过于精细，以至于需要过多的计算时间和内存。

通过 Cadence 进行网格划分

Cadence Fidelity Pointwise 是一个独立的 CFD 网格生成器，提供全面的功能，包括几何模型准备，使用各种技术生成网格，并与各种流体求解器兼容。在生成网格时，低层级实体将高层级实体粘合在一起，形成一个连续的网格，为网格构建技术和风格带来了很大的灵活性。这种灵活性根植于 Fidelity Pointwise 产品的网格划分理念，使其能够涵盖广泛的工作流程。此外，网格拓扑结构与 CAD 的几何形状无关，非常灵活。Fidelity Pointwise 的不同网格划分技术可以解决不同应用中的网格离散化问题。

Fidelity Pointwise 提供卓越的 CFD 网格划分技术

Fidelity Automesh 技术可以自动执行原本费时费力的几何体准备过程，同时不会损失任何几何体细节，近乎实时地为 CFD 分析提供高质量网格。Fidelity Automesh 解决方案将不同的网格划分技术整合到了一个工作流程之中。用户可以在 Fidelity 环境中轻松地将流动求解器与 Fidelity 网格划分技术结合使用，体验高度简化的工作流程。

Fidelity Automesh：

无论是哪种类型和复杂程度的几何形状，Cadence 的网格划分软件都可以快速生成高质量的网格，供计算流体力学分析使用。

关于 Cadence

Cadence 是电子系统设计领域的关键领导者，拥有超过 30 年的计算软件专业积累。基于公司的智能系统设计战略，Cadence 致力于提供软件、硬件和 IP 产品，助力电子设计概念成为现实。Cadence 的客户遍布全球，皆为最具创新能力的企业，他们向超大规模计算、5G 通讯、汽车、移动设备、航空、消费电子、工业和医疗等最具活力的应用市场交付从芯片、电路板到完整系统的卓越电子产品。Cadence 已连续九年名列美国财富杂志评选的 100 家最适合工作的公司。如需了解更多信息，请访问公司网站www.cadence.com。

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