如何在 CFD 设计中利用网格维护几何形状并减少运行时间？

尽管计算机的处理能力不断提升，但依然有必要提高数值仿真的效率。在 CFD 仿真中，求解的质量在很大程度上取决于网格划分。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。另一方面，如果网格过于精细，就会增加不必要的计算时间和工作量。网格元素类型和数据结构也会影响生成网格所需的人力时间和技能，以及单位精度的成本。

图 1. 基于局部误差和基于输出的自适应技术对比。

如图 1 所示，网格自适应（可以基于局部误差，也可以基于输出）是一种常用的技术，有助于提高仿真效率。非结构化的网格自适应技术用于缩小网格大小，以达到所需的求解精度。这种技术能够大大缩短处理时间，减少内存需求和所需的存储空间。然而，由于无法获得基础的 CAD 数据，自适应工具只限于提高体外网格的分辨率。

而 Fidelity CFD 中的网格自适应技术能够维护几何形状，提高网格质量，适应近壁剪切层，并减少运行时间，改善了 CFD 解决方案。

1. 网格自适应技术的设计挑战

使用网格自适应技术来提高网格质量会面临一些常见的挑战：

自适应无法求解正确的几何形状

大多数自适应程序都是内置在 CFD 求解器中的。因此，它们只是自动适应实际几何体（即现有几何体）的一个近似面。在适应之后，就为错误的几何体生成了理想网格。

自适应会降低局部细化网格的质量

许多自适应程序使用逐个击破的方法来充实网格，即把现有的网格元素局部划分为额外的元素。这种方法虽然编程起来比较方便，但会导致网格质量随着细化而不断下降，降低稳健性，增加运行时间，甚至可能增加离散性。

在流体变量梯度很大的近壁剪切层中进行自适应面临重重挑战

简单粗暴地在近壁处使用各向同性的细化，会导致网格尺寸激增。一种常见的策略是采用拉伸四面体来解析墙面上的大梯度变量，而不对墙面进行过度细化。然而，这种方法会导致网格质量大幅度下降。

自适应程序常常导致运行时间过长

这是因为网格在某些方向或位置被过度细化，或者在自适应过程中网格质量下降，导致 CFD 求解器运行效果不佳，甚至难以决定何时停止细化程序。

2. Fidelity CFD 网格划分工具的优势

Fidelity Pointwise 是一个网格生成解决方案，在网格构建技术和网格风格方面提供了充分的灵活性。这种灵活性根植于 Fidelity CFD 网格划分工具的网格划分理念，使其能够涵盖广泛的工作流程。

Pointwise 网格自适应技术以协调的自动化方式将网格划分和求解步骤分离开来，能够根据变化中的流体解或基于应用目标对网格进行细化（如图 2 所示）。

图 2. 针对两个不同目标对菱形机翼进行网格自适应，即适应阻力（左）和适应冲击传播（右）。

这款自动网格细化工具只用于网格存在缺陷的区域。首先创建一个基线流体解，通过使用该流体解，估计与网格尺寸缺陷相对应的误差。这个步骤要重复多次，以便更好地控制网格离散化误差。对于高质量的 CFD 网格划分，这种方法也可以用于体外的体素网格划分，以便体外特征实现均一、出色的分辨率，特别是捕捉尾流区域时。

在图 3 中，使用网格自适应工具对轿车的尾流剪切层网格进行了精细处理。

图 3：网格细化，以定义体外特征。

3. 总结

Fidelity Pointwise 网格自适应工具：

· 适应基础几何形状
· 有效求解边界层区域内的网格
· 有效控制适应速率，逐步提高网格质量
· 减少运行时间