網格生成技術

網格生成技術

科技術語
計算流體動力學中,按一定規律分布于流場中離散點的集合稱為網格,産生這些節點的過程就稱為網格生成。網格生成是CFD模型的基礎。建立高質量的計算網格對CFD計算精度和計算效率有重要影響。近年來,結合結構化網格和非結構化網格優勢的混合網格技術受到CFD工作者的普遍重視。
    中文名:網格生成技術 外文名:Grid generation technology 所屬學科: 性質:已是流體機械CFD的一個重要分支 分類:結構化、非結構化網格和混合網格 關鍵指标:網格适應性,網格生成時間和費用 特點:網格越密,結果越精确,耗時越多

基本概念

計算流體動力學中,按一定規律分布于流場中離散點的集合稱為網格,産生這些節點的過程就稱為網格生成。網格生成是連接幾何模型和數值算法的紐帶,幾何模型就隻有被劃分成一定标準的網格時才能對其進行數值求解。一般而言,網格劃分越密,得到的結果就越精确,但耗時也越多。數值計算結果的精度及效率主要取決于網格及劃分時所采用的算法,它和控制方程的求解是數值模拟中最重要的兩個環節。網格生成技術已經發展成為流體機械CFD的一個重要分支。

網格生成是CFD模型的基礎。建立高質量的計算網格對CFD計算精度和計算效率有重要影響。網格生成技術的關鍵指标是對幾何外形的适應性以及生成網格的時間、費用。對于複雜的CFD問題,網格生成極為耗時,且容易出錯,生成網格所需時間常常大于實際CFD計算的時間。因此,有必要對網格生成方式予以足夠的重視。

網格生成技術連接物理模型和計算模型,在航空發動機數值仿真中起着承前啟後的作用。網格的生成質量決定了是否能夠精确地表達出計算對象,對數值計算最終的分析結果的精度、效率以及收斂性也有重要影響。在數值仿真過程中,計算模型中離散點的集合被稱為網格。

分類

現有的網格生成方法主要分為結構化網格、非結構化網格和混合網格三大類。

結構化網格

結構化網格的優點是節點與鄰點關系可以依據網格編号的規律而自動得出,很容易地實現區域的邊界拟合。結構化網格的缺點是适用的範圍比較窄,隻适用于形狀規則的圖形。結構化網格主要分為正交曲線坐标系中常規網格、對角直角坐标法、适體坐标法和塊結構化網格。前兩種方法是網格生成技術中最基本、最簡單的網格生成方法。

非結構化網絡

非結構化網絡技術主要彌補了結構化網絡不能解決任意形狀和任意連通區域網格劃分的缺陷。在這種網格中,單元與節點的編号無固定規則可遵循,而且每一個節點的鄰點個數也不是固定不變的。因此,非結構化網格中節點和單元的分布可控性好,能夠較好地處理邊界,适用于流體機械中複雜結構模型網格的生成。非結構化網格生成方法在其生成過程中采用一定的準則進行優化判斷,因而能生成高質量的網格,很容易控制網格大小和節點密度,它采用的随機數據結構有利于進行網格自适應,提高計算精度。

非結構化網格方法有兩個缺點:一是不能很好地處理黏性問題,二是對于相同的物理空間,網格填充效率不高。

非結構化網格生成方法主要有陣面推進法、Delaunay三角劃分法、四叉樹(2D)/八叉樹(3D)方法、陣面推進法和Delaunay三角劃分結合算法。

混合網絡

近年來,結合結構化網格和非結構化網格優勢的混合網格技術受到CFD工作者的普遍重視。混合網格具有劃分靈活、易于實現網格自适應等優點,适于處理邊界複雜問題,因被廣泛地應用。混合網格主要有三棱柱/四面體網格、針對多部件或多體複雜外形的混合網格、矩形/非結構化混合的網格。

生成網格的過程

無論是結構網格還是非結構網格,均需按下列過程生成網格:

(1)建立幾何模型。幾何模型是網格和邊界的載體。對于二維問題,幾何模型是二維面;對于三維問題,幾何模型是三維實體。

(2)劃分網格。在所生成的幾何模型上,應用特定的網格類型、網格單元和網格密度對面或體進行劃分,獲得網格。

(3)指定邊界區域、為模型的各個區域指定名稱或類型,為後續給定模型的物理屬性、邊界條件和初始條件做好準備。

生成網格的關鍵在步驟(2),由于傳統的CFD基于結構網格,因此,有多種針對結構網格的成熟的生成技術。而針對非結構網格的生成技術要更複雜一些。

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