CFD分析中有效网格系统的选择策略

同步CFD中精准网格系统的选择与应用

在同步流体动力学（CFD）领域，三维仿真与分析精确度及效率的提升在很大程度上取决于网格的构建与优化。本篇专业性技术文章探讨了矩形自适应网格为何成为技术前沿工具，以及如何选择有效的网格系统以极大地降低精确分析所需时间，并提高产品设计的效能。

网格需求与选择的重要性

在CFD分析前，定义合适的网格系统尤为关键。所有CFD分析基于微分方程描述流体动力学现象，包含但不限于Navier－Stokes方程与能量守恒方程。由于这些方程原则上无法解析求解，只能通过“离散化”方法进行求解，即在分析区域内铺设虚拟网格，假设体积内部及边界特性变量，进而将控制微分方程转化为有限体积形式。通过迭代求解这些代数方程，便可获取结果。网格划分是求解过程的必要环节，网格的大小与密度对计算精确度具有显著影响。

选择网格系统的关键因素包括定义问题及后续修改的时间、获取良好结果的便捷性、解的稳定性及可靠性、计算速度与存储资源需求等。由此，CFD计算网格系统的选取成为了至关重要的一项工作。

网格系统的选择标准与类型


在CFD应用中，选择网格系统主要从网格形状与网格排列两方面考虑：




网格形状：常见的选择包括笛卡儿网格、六面体网格、四面体网格等。笛卡儿网格以其便于推导与求解的特点，尤其适用于CFD分析。

网格排列：可区分为结构化网格，节点有序排列，邻点关系明确；非结构化网格，节点位置无固定规律命名；以及介于二者之间的部分非结构化网格。

笛卡儿网格由于其高质量与稳定性，通常在诸多应用场合被广泛使用，尤其是非结构化与部分非结构化网格中。相较于非笛卡儿网格，在复杂几何体描述方面六面体网格具有明显优势。

影响网格系统选择的因素

网格形状对于质量的影响：笛卡儿网格因正交性与清晰关系而具有较高质量，而非正交网格扭曲度越高，其网格质量越低。在CFD分析中，网格质量影响范围外推假设与求解方法的稳定性。

“二次”项带来的影响：高度非正交网格可能导致大量“二次”项产生，增加计算时间与存储需求，降低精度与迭代求解的可靠性。因此，非正交网格设计依赖于实际应用问题。

以笛卡儿网格为例，其优势在于求解速度与简化问题定义的效率，适合复杂系统布局，尤其是非矩形固体边界描述。尽管存在优点限制，适当使用切面技术实现复杂几何体的笛卡儿网格可以逼近非笛卡儿网格的精确性，同时保持网格质量与计算效率。

网格排列的考虑

结构化网格与非结构化网格的选择关乎计算效率与资源管理。结构化网格特别适用于局部需要高精度网格的问题，而非结构化网格旨在关注特定区域，或许增加除目标区域之外的网格数量。

例如：在风洞中汽车周围的湍流流动问题中，采用部分非结构化网格（笛卡儿网格嵌套）可以更加精确地描述物理边界，确保计算效率的同时减少资源消耗。对比标准结构化网格，非结构化网格虽然提高了计算的局部灵活度，但在多栅聚集效应下要求更高的存储与计算支出。

网格生成策略

网格生成是一个涉及实际操作与经验平衡的过程。手动定义初始网格点与方向，确保网格与几何边界契合。先进软件如FloEFD提供自适应设置与优化功能，结合用户参数与预先设定的准则，在自动化与人工调节之间找到平衡，确保网格质量与收敛性，降低手动调整的工作量与后期优化时间。