Fluent流动与传热|01网格基础

导读：介绍Fluent流动传热的网格基础。

为什么要在网格上花时间？

• 低质量网格可能造成计算发散
• 低质量的网格可能造成错误的结果
• 不合理的网格可能造成精度较低的结果

  
  
  

网格的种类

对于Fluent而言，支持的网格种类包括：全六面体网格、混合网格（四面体、三棱柱、金字塔、多面体等）

网格的选择主要考量三个方面：

• 精度：一般在简单模型中六面体网格精度最高，但在实际工程中，六面体网格精度不一定最高。
• 数量：对关注的位置，需要对其进行加密，六面体网格对局部加密不友好。
• 耗费的资源与工时
  
  

网格无关性的检查

• CFD的计算结果与网格的大小密切相关
• 应予网格大小对计算结果的 影响进行谨慎评估
• 同一个算例, 使用不同大小的网格进行网格无关性检查
• 所有网格都满足壁面函数对 的要求(第一层网格处于非层流区)

  

  
  

网格质量的评价标准

• 质量的评价标准
• EquiAngle Skew
• Size Change(Growth Rate)
• Aspect ratio
• Alignment with the flow
• 等等

  
• EquiAngle Skew

最重要的网格质量指标是EquiAngle Skew()

Largest angle in face or cell

Smallest angle in face or cell

Angle for equiangular face or cell

尽管当Skewness为0.9时，网格质量非常差，还是可以通过Fluent算法去弥补。但是对于一般模型，FluentMeshing都有足够能力获取较好的网格质量。

• Skewness的影响

• 如下，在模拟冰层的融化，“仅”7个网格单元的扭曲度在0.95以下，迭代到73步时，求解发散。

  
• 如下，共轭换热分析，局部网格扭曲度达0.99，计算可以收敛，但结果出现热点；网格修正后，结果分布合理。

  

• Size Change

最重要的网格质量指标是Size Change()

• 表示周围的网格体积与该网格体积完全相同 (i.e. 均匀网格)。

• 相邻网格单元的体积激变会导致较大的截断误差。

• Size Change的影响

• Aspect Ratio

Aspect Ratio 指标 对不同类型的网格采用不同的定义方法 - 一般<1000, 双精度求解器

• 对于三角形或四面体

is a scaling factor

for tri elements and for tet elements.

网格外切圆 (tri) 或球 (tet) 的半径

r 网格内切圆（tri) 或球 (tet) 的半径

• 对于四边形或六面体

是网格的某方向的边的长度的 平均值。

随不同网格类型而不同

for quad elements

for hex elements

• Alignment with the Flow-混合网格比六面体产生更大的计算误差?
• 混合网格可能展现出更大的优势
• 算法上可进行一定程度的抑制，但是无法避免
• 高阶插值格式

  
• 但不是绝对的
• 网格质量的影响
• 流动方向与网格方向的关系?
• 当流动情况复杂, 而几何的约束导致六 面体网格方向必须保持在某个方向时, Hex和Quad网格可能会对计算结果产生 负面的影响
  
  

网格质量小结

• 网格质量对计算结果、收敛特性有巨大的影响
• CFD工程师需要从多方面评判网格的质量
• 尽管网格质量扮演着非常重要的角色, 在多数场景下, 可以用算法来弥补网格的不足
• Poor Mesh Numerics
• Warped Face Gradient Correction
• Double Precision Solver
• Temperature secondary gradient for skewed meshes
  
  

网格工具的选择

• ICEM CFD 适合于高速外气动等要求完全六面体网格的问题

Workbench Meshing 适合几何参数化/优化的问题

Fluent Meshing 适合于其他问题，无所谓几何好坏

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