fluent：好網(wǎng)格與壞網(wǎng)格的區(qū)別【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-02-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

網(wǎng)格的作用如此重要,以至于小白糾結(jié)了很久。小白知道網(wǎng)格劃分過程很大程度上受制于計(jì)算資源的限制,但小白還是不太明白,如果計(jì)算資源非常充足,不用顧忌資源限制的情況下,如何判斷生成的網(wǎng)格好壞?如何確定自己生成的網(wǎng)格是否合乎要求?如何利用軟件來判斷網(wǎng)格是否滿足要求?

在食堂的餐桌上,小白向小牛師兄詢問這些問題。

“在我的眼中,網(wǎng)格和美女一樣,只有漂亮的和不漂亮的區(qū)別,沒有好與壞?！毙∨熜挚粗贿h(yuǎn)處一群飯都堵不住嘴巴在那嘰嘰喳喳的女生,慢悠悠的說。小牛師兄雖然學(xué)術(shù)搞得不錯(cuò),可是快奔三的人仍然是光榮的單身狗一條,因此看到漂亮女生總能發(fā)表一些與眾不同的看法。

“怎么說呢,對(duì)于網(wǎng)格好壞,我的做法是用肉眼觀察,看著舒服的網(wǎng)格可能是好的,一眼看過去感覺不舒服的,肯定是有問題的不好的網(wǎng)格”。小牛師兄繼續(xù)補(bǔ)充道。

“有沒有科學(xué)點(diǎn)的判斷方法呢?肉眼觀察也太忽悠人了吧!”小白說。

網(wǎng)格疏密

“嘿嘿,的確忽悠了點(diǎn),那我們就來說點(diǎn)兒正緊的。我們都知道,一般情況下好的網(wǎng)格要根據(jù)流場(chǎng)分布來進(jìn)行布置,那么在流場(chǎng)計(jì)算之前就要預(yù)估物理量的分布?！毙∨熜盅a(bǔ)充道。

“都沒計(jì)算,怎么判斷流場(chǎng)分布呢?”小白問。

“在計(jì)算之前,需要根據(jù)流體力學(xué)理論判斷流場(chǎng)分布,比如說流體流經(jīng)障礙物的時(shí)候,在障礙物的上游及下游必定會(huì)出現(xiàn)較大的擾動(dòng),物理量變化極為劇烈,因此在這些區(qū)域需要布置更多的網(wǎng)格。”小牛師兄說。

“網(wǎng)格的疏密跟流場(chǎng)物理量梯度直接相關(guān),那么哪些區(qū)域流場(chǎng)梯度大呢?”小白問。

“一般來說,這些區(qū)域流場(chǎng)梯度大:(1)障礙物上下游附近區(qū)域。(2)邊界層區(qū)域。大梯度的區(qū)域都和邊界擾動(dòng)有關(guān)?！?

“還有種情況需耍加密網(wǎng)格,那就是你需要提高某區(qū)域內(nèi)計(jì)算精度時(shí),此時(shí)需要提高此區(qū)域網(wǎng)格的密度?！?

“說到網(wǎng)格疏密,就不得不提網(wǎng)格增長(zhǎng)率。一套好的網(wǎng)格是有疏密分布的,那么在粗網(wǎng)格向密網(wǎng)格過渡時(shí),存在一個(gè)增長(zhǎng)率。CFD網(wǎng)格要求這個(gè)增長(zhǎng)率不能太大,一般在1.1~1.3之間?！?

網(wǎng)格形狀

“除了網(wǎng)格疏密需要關(guān)注外,還需要關(guān)注網(wǎng)格形狀,你覺得什么形狀的網(wǎng)格是最好的?”小牛師兄問。

“我也不是很明確,很多資料上建議使用四邊形和六面體,也有資料上說直接使用三角形和四面體,還有資料說要使用混合網(wǎng)格,也看到有資料說笛卡爾網(wǎng)格是一種發(fā)展趨勢(shì)。眾說紛紜,我都被搞迷糊了?！毙“渍f道。

“先來說現(xiàn)在常用的網(wǎng)格形狀。目前比較常用的網(wǎng)格形狀主要有:三角形、四邊形、四面體、六面體、五面體、三棱柱,有些求解器還支持多面體和六邊形網(wǎng)格。”小牛師兄說道。

“這些形狀是誰規(guī)定的呢?有沒有球形和圓形的網(wǎng)格?”小白很好奇。

“網(wǎng)格的形狀是由求解器決定的,或者更準(zhǔn)確的說是由求解器的離散算法所決定。具體的以后有時(shí)間再具體探討,今天要說的是:我們能夠使用什么網(wǎng)格形狀取決于求解器,像Fluent支持使用多面體網(wǎng)格,而CFX則不支持這種類型的網(wǎng)格。還有笛卡爾網(wǎng)格,很多EFD軟件都支持,但支持此類型的CFD求解器并不多。當(dāng)然如果是自己開發(fā)求解器的話,則完全可以開發(fā)支持任意形狀網(wǎng)格的離散算法?！毙∨熜诌@樣說。

“話雖然可以這樣說,但實(shí)際上操作性并不強(qiáng)。因?yàn)檫x用網(wǎng)格類型需要考慮兩個(gè)主要問題:(1)離散精度;(2)幾何適應(yīng)性。而這兩方面卻是相互矛盾的,某種網(wǎng)格離散精度高,其幾何適應(yīng)性往往不好。”

“再說點(diǎn)兒實(shí)際的,都在說四邊形和六面體網(wǎng)格好,你覺得它們?yōu)槭裁春?”小牛師兄問。

“我也說不好,是不是離散精度比較高?好多復(fù)雜的幾何都很難生成六面體網(wǎng)格,我猜它們的幾何適應(yīng)性肯定不會(huì)太好?！毙“渍f。

“是的,四邊形和六面體網(wǎng)格的離散精度好。這主要得益于其正交性好及相鄰結(jié)點(diǎn)數(shù)較多。具體來講,完美的四邊形網(wǎng)格,其網(wǎng)格邊具有完美的正交性(夾角90度),而完美的三角形網(wǎng)格夾角為60度,正交性會(huì)影響插值精度和計(jì)算收斂性。再說相鄰結(jié)點(diǎn)數(shù),四邊形網(wǎng)格擁有四個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn),六面體網(wǎng)格有六個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn),而三角形網(wǎng)格及四面體網(wǎng)格相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為3個(gè)和4個(gè)。理論上講,相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,插值精度越高。因此通常在網(wǎng)格數(shù)量相當(dāng)?shù)那闆r下,四邊形和六面體網(wǎng)格擁有比三角形和四面體網(wǎng)格更高的精度?！毙∨熜纸忉尩?。

“有利就有弊,四邊形和六面體網(wǎng)格也有其不利的方面,最典型的是幾何適應(yīng)性。對(duì)于復(fù)雜的幾何模型,生成四邊形網(wǎng)格或六面體網(wǎng)格常常需要花費(fèi)極大的時(shí)間開銷,有時(shí)甚至無法生成?！?

“還有一種情況不適合使用四邊形和六面體網(wǎng)格,那就是當(dāng)流動(dòng)與網(wǎng)格流向不一致的時(shí)候,此時(shí)使用四邊形或六面體網(wǎng)格可能會(huì)造成較大的偽擴(kuò)散,嚴(yán)重影響計(jì)算精度”

“實(shí)際上對(duì)于復(fù)雜的工程模型,往往同時(shí)存在多種類型的計(jì)算網(wǎng)格,常見的做法是:分割計(jì)算域幾何,在簡(jiǎn)單區(qū)域或精度要求高的區(qū)域生成四邊形或六面體網(wǎng)格,而在復(fù)雜區(qū)域或精度要求不高的區(qū)域生成三角形或四面體網(wǎng)格,不同類型網(wǎng)格之間采用五面體網(wǎng)格進(jìn)行過度?！毙∨熜挚偨Y(jié)道。

其他的一些問題

“除了這些問題,劃分網(wǎng)格的過程中還有什么其他的問題需要注意呢?”小白問。

“其實(shí)還有很多問題需要注意,比如邊界層網(wǎng)格,這個(gè)我們后面再來探討?！毙∨熜终f。

“關(guān)于網(wǎng)格,你只需要記住一點(diǎn)就夠了:漂亮的網(wǎng)格才是好網(wǎng)格!”

小白的總結(jié)

一套好的網(wǎng)格,一定是看起來賞心悅目的
好的網(wǎng)格,一定是疏密有間的,要根據(jù)流場(chǎng)分布來布置網(wǎng)格
四邊形和六面體網(wǎng)格擁有好的計(jì)算精度和收斂性,但幾何適應(yīng)性不好,對(duì)于復(fù)雜的模型通常采用混合網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
轉(zhuǎn)自:流沙博客

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才