CFD计算的关键要素——网格篇

shaozhunyuan

一个合格的研发者，应具备设计、研发、优化等基本技能，实现三者一体化。
    算准，是研发者的基本功底。在概念设计阶段，可以不用特别的精准，只要定性的把握产品的性能，再众多方案中择优选取，毕竟，算的精准，要付出的代价是比较大的。但是最终方案确定了，面临实际生产时，必须算准。算准了，就可以减少实物模型的调试，缩短研发周期，减少研发投资。最终方案没算准，别人会怀疑你的能力。
    怎么算准呢？核心的要素有一下几个方面：
  
   1）网格

   网格是影响计算精准性的最重要的因素。是计算的基石。

  a. 网格数
   
   网格的数量和计算精度密切相关，从计算流体力学理论角度讲，网格越多，计算的结果越精准。但是由于受到计算机性能的影响，我们不可能无限的增大网格数。一般的，选取一个合适的网格数就行。比如弄出100、300、500、800万网格，同一工况下，500和800没什么差别，和300、100就有比较大的误差，那么网格数就可以确定在500万。当然概念设计阶段网格数可以少点。

  b. 网格属性

  网格分为结构化网格、非结构化网格、混合网格。其中结构化网格计算精度、收敛性和稳定性都最好，非结构网格最差，混合网格介于他们之间。
  对于不同的产品，不同的几何，要选取适合的网格类型。像风机或者选择机械行业，轴流的一般选取结构化网格。因为轴流的是周向对称的，并且叶片前缘、尾缘比较尖，翼尖离外筒非常近，受到边界层的影响大。由于这些综合因素的影响，用结构网格是必然选择。一般的用NUMECA的AG5模块处理此类网格非常方便。个人认为NUMECA的fine计算模块计算的结果精度有待考究。因此最好是用AG5处理旋转域的网格，其它部件用ICEM处理。整合后在CFX中计算。先稳态，再瞬态迭代比较靠谱。
   对于离心类风机或者旋转机械。风机的集流器大多是深入到叶轮里面，风机蜗壳是非周向对称。要处理此类网格，如果在NUMECA的AG5和IGG中处理，径向间隙无法处理，计算肯定偏大。大多数的离心风机，都是基于非结构网格计算，因为其适配性好，并且离心风机叶轮和其它部件相对比较远，受到边界层的影响小，不带边界层的非结构网格是可以接受的（非结构带边界层的网格质量very very bad）。80%以上的风机在High Resolution算法下的收敛性和稳定性都是不错的。但是某些畸形的风机模型，基于非结构的CFX计算的，怎么都收敛不了。折中处理，只能用一介迎风格式来计算。得到相对比较好的结果。
   混合网格，是介于结构和非结构之间的一种网格。可以是一边是结构化网格，另一边对非结构化网格，通过interface对接。也可以“天然”六面体和四面体组合。ICEM在这一块还是比较薄弱的。像pumplinx，复杂的几何，其网格还是比较漂亮的。其网格96%是六面体，4%是四面体,操作简单，工作效率非常高。不过他们的算法和模型处理我个人认为有待商榷。还有其网格和其它CFD软件无法兼容。So Pity!
  以后网格的发展方向，应是操作简单，省时省力，六面体占绝大多数，少了的四面体填充，对复杂几何的适配性高的"天然“混合网格。这样既保证了计算精度，又加快了计算的速度。

2)边界条件

  边界条件一般不要设置问题都不是很大。出口用静压收敛性和稳定性较好，如果出口存在回流，出口用静压就会出现overflow。有回流的模型，出口可以改为opening或者质量流量。进口可以给定全压或者质量流。这个看个人习惯。我一般进口用全压，出口用流量。如果overflow还是出现，出口改opening，进口改流量。只要计算收敛了，稳定了，就OK了。

3）松弛因子

  在Fluent或者pumplinx都有松弛因子条件选项，在CFX中，通过time scale来调节，是准瞬态计算。合适的松弛因子，对计算的收敛速度有很大的影响。一般的，CFX中time scale用1/ω基本能满足计算。太小，计算稳定，收敛太慢，过于保守。太大，收敛加快，有时候无法收敛。

4）算法的选择

  在CFX中对流项的算法有High Resolution，Upwind，和Specified Blend Factor。
  High Resolution是二阶精度，相对比较准，如果能收敛，竟可能用这个算法。
  Upwind是一介迎风格式，精度稍低，但是收敛性能最好的。如果High Resolution收敛不了，可以用一介迎风格式，收敛标准提高到-6次方。再算一周瞬态的，结果也还是可以的。
  Specified Blend Factor一个精度可调算法，系数从0到1，0就类似于upwind,1就类似high resolution。通常建议用0.75。
以上内容仅为个人经验总结，可能存在总多不足之处，请指正。

5超7

边界条件上请教一下：
一个管路在高压的环境中，要计算入口和出口的压降
入口的压力是知道的，可以给定，入口边界条件给了pressure outlet(STARCCM+)
出口的话，边界条件是不知道的，要计算出来，给什么边界条件好呢？自由出口不能与pressure边界条件共存，
该怎么设置好呢？

shaozhunyuan

5超7 发表于 2016-2-29 20:24
边界条件上请教一下：
一个管路在高压的环境中，要计算入口和出口的压降
入口的压力是知道的，可以给定， ...

我没玩过STARCCM+，但是CFD软件基本原理通用的，对于您的情况，你主要是分析系统压力损失。既然入口压力知道了，那么建议入口用全压。出口的话，由于静压你不知道，流量可以确定吗。如果流量可以确定，出口可以给定流量。

5超7

shaozhunyuan 发表于 2016-3-1 16:50
我没玩过STARCCM+，但是CFD软件基本原理通用的，对于您的情况，你主要是分析系统压力损失。既然入口压力 ...

恩 你和CCM+的技术支持说的差不多

今天我和领导交流了一下，她告诉我，单单一个压力入口和自由出口是无法封闭流体方程的，因为入口的流量是可以随意给的，除非是知道进出口的压力

她教了我确定入口平均速度的求法，出口还是用自由出口

路飞学CFX

请问物体绕流时，划分非结构网格，怎么才能保证网格的数量？物体的形状比较不规则，有比较大的面，也有小的面。

wudaerlang

哎，自己摸索的话是真的困难重重

Louise

可以试试www.caesky.cn，免费生成网格