如何在ComsolMultiphysics®中设置网格进行CFD分析

计算流体动力学（CFD）模型的质量通常取决于用于解决问题的网格的质量。良好的网格促进收敛，减少内存需求并导致准确的解决方案。因此，在解决CFD问题时，值得花时间并思考创建网格。在这篇博客文章中，我们描述了高质量网格的因素以及如何为网格划分的流体流量模型几何形状。

什么构成了“好” CFD网格？

CFD网格必须满足两个基本规则：

1. 计算域中没有空隙区域
2. 没有重叠的网格元素

大多数现代的网格划分工具要么包含自动检查，要么提供可轻松检测和补救违法行为的工具。ComsolMultiphysics®软件执行自动检查，以防止违反这两个规则（除非指定）。

良好的CFD网格也应旨在以下三个因素，这些因素通常是冲突：

1. 高质量
2. 足够的分辨率达到所需的准确性
3. 低计算成本

让我们更详细地研究这些因素。

网格元素质量

高质量的网格元素是尽可能各向同性的元素。例如，六面体的立方体形元素。使用不同的质量措施来量化元素的质量。例如，完美的元素通常具有质量，但也有完美元素具有质量为零的逻辑。

Comsol Multiphysics将一个完美的元素描述为质量1.一种网格元素，其偏离其完美形式的网格元素因此具有少于一个的质量。

对于元素而言，最糟糕的情况是它崩溃或反转，以使其面积或体积变为零或负。此类元素是在极少数情况下产生的，重要的是要修改网格以消除它们，因为它们生成了极难解决并且可能具有非物理解决方案的方程式系统。负容量的元素的质量为零或小于零。下面显示了倒置六面的示例。

六面体元素从完美的质量（最左）到倒置（最右边）。

网格元素可以通过多种方式偏离其完美形式。无害的偏差是一个方向上的“压缩”，如上图中的各向异性元件所证明。这纵横比定义为最长侧的长度除以最短侧的长度。具有高纵横比的元素能够为流动为各向异性的区域提供高精度。这些元素通常用于创建结构化的网格，尤其是边界层网格。但是，当使用高光谱比率元素时，随着纵横比的上升，所得的方程式系统变得更难求解。到达100订单（或接近它）的宽高比通常可以接受，而方法1000的宽高比可能会很麻烦。

变形网格元素而不反转的最糟糕的方法是偏向它。A偏斜的网状元素具有从90°的角度偏离的角度。偏斜的元素对方程式系统的局部准确性和状况数字都有负面影响（方程式难以求解）。当创建边界层网格或映射的网格中，通常会出现偏斜的元素，或者在弯曲的几何形状中，或者通过金字塔元素从高光谱比率元件过渡到各向同性四面体元素时出现。偏斜是一个测量以检测偏斜的元素。基于偏度，质量没有急剧的下限，但应避免质量低于0.01。

特定于CFD的网格质量度量是增长率。这增长率是元素大小从一个元素变为其邻居之一的变化，它应该很小，以获得准确的结果。最高的生长速率通常出现在结构化网格之间的过渡中，例如边界层网格，映射的网格和游离的非结构化四面体网格。增长率没有正式的上限，但是一个好的经验法则是，它不应超过20％。

足够的分辨率

对于CFD问题，网眼具有又代表流场和压力场的形状函数。这些磁场中的任何一个都需要局部密集的网格才能解决。在最好的情况下，分辨不足的梯度因数值离散方案而消散，例如稳定或向上。这降低了准确性，但也可能导致广泛的振荡甚至发散。熟练的流体力学专家可以预见，在这些位置可能会出现锋利的梯度，并在这些位置出现更精细的网眼，而不是在各处完善网格。

计算成本

始终可以建造到任何地方都非常稠密的网格，但是在大多数情况下，所产生的计算成本变得巨大。因此，重要的是仅在流量要求的区域中完善网格并提供良好的过渡到可以使用较大元素的区域。但是流动通常是各向异性的，因此最有效的方法是利用各向异性结构化网格来捕获梯度。结果，典型的CFD网格包含带有结构化网格的区域和带有自由，非结构化网格的区域。

带有游离四面体和结构化网状区域的混合器模型。请注意，沿墙壁的边界层网格是结构的。

各向异性网格和元素尺寸的差异可以降低网格质量，因此同时使网格质量高的网格元素数量最小化，同时解决流量中的梯度并不是很容易的。

在comsolMultiphysics®中准备用于网格的CFD模型几何形状

正确准备CFD模型的几何形状以进行网络非常重要。通常，CAD团队提供一个包含几何描述的文件。最终的几何形状都应包含规定适当的物理条件的实体（例如要指定为入口和出口的边界），并以可以控制网格的方式进行分区。对解决方案的外观有一个直观的想法，以便在必要时可以完善网格，并在我们期望解决方案准确性允许的情况下进行完善。

创建流域

通常，CAD团队提供的几何形状正是流动力学专家才不是想。它通常是一些固体组件，例如阀门，车辆或电子设备，因此专家的第一步是删除所有不需要的东西并创建流体域。

例如，经典的艾哈迈德身体基准案例显示了简化汽车周围的流动。您通常在Internet上看到的CAD文件是针对实际汽车的，但是当汽车位于风洞中时，我们希望模拟流量。因此，在这种情况下，我们绘制一个矩形并减去汽车，以获取一条隧道，并切出汽车（右下方）。

请注意，我们如何仅保留一半的汽车。通常建议在可能的情况下使用对称性，例如固定雷诺平均的Navier-Stokes（RANS）模拟中的对称流。（另一方面，大型涡流模拟（LES）需要完整的几何形状。）在这种情况下，使用对称平面将50％的元素删除，并将计算时间减少了很多，而不会损失任何损失。准确！

艾哈迈德体的实际CAD几何（左）和一半的几何形状（右）。

删除几何细节

CAD几何形状很少像艾哈迈德的身体一样简单，并且通常包含CFD专家不感兴趣的细节，例如螺栓，弹簧和登录型。这些细节几乎可以始终被简化的表示形式删除或替换。

CAD几何零件也往往不完美。下图显示了一个叶轮刀片，该叶片比其附着的轴略大。如果我们离开这些滑动脸，则需要与它们相符，这会导致滑动脸周围非常密集的网眼。滑动面通常也比最小允许的元素尺寸小得多，因此附着在滑动面上的元素往往会变得高度各向异性并且具有较高的偏度。由于滑动面部面部的元素质量不佳，因此应将其删除。

在叶轮的CAD几何形状上的滑动面（以蓝色为蓝色）。

comsol多物理包括识别和删除小细节的工具，例如虚拟操作。使用CFD应用程序时，一个重要方面是保留表面的曲率。使用虚拟操作去除边缘和滑动面可能会导致“弯曲”的表面网格，在最坏的情况下，这可以改变流动的特征。

准备用于映射的几何形状

结构化网格是有效的工具，可帮助我们获得足够的分辨率。但是，并非所有几何形状都可以映射或扫除。粗略地说，几何形状需要与2D中的一组正方形或3D中的一组平方同源，以进行映射和扫描工作。这可能需要分区的几何形状，如此所述以前的博客文章。在下图中，我们添加了一个弯曲的脸，该面孔将艾哈迈德车身模型的风隧道划分为简化的汽车所在的位置和后方，我们打算创建一个结构化的网格。

艾哈迈德身体模型的几何形状具有弯曲的脸，可用于在风隧道的后部创建结构化网格。

结构化的网格在多物理模拟中可能特别有用，例如下面显示的太阳能电池板的FSI分析。太阳能电池板由许多平板和横梁组成，这些平板和横梁必须由各个元素隔离。除边缘附近的区域外，较大的表面不需要细网。在这种情况下，需要各向异性网状元素才能获得所需准确性的相当小问题。

可以分别为大多数梁和板构建结构化网格，但是当不同的网格需要共享面或边缘时，可能会发生冲突。分区如下图所示，板和梁的补救措施。额外的边缘和表面可以额外控制元素的数量及其分布。

太阳能电池板几何形状，清洁（左），清洁和隔断（右）。

创建网格控制实体

引入其他面孔和边缘以控制网格有一个缺点：网格需要符合这些额外的实体。当引入边界层网格时，这可能会构成问题。comsol Multiphysics使用一种方法，其中将边界层网格推入音量结合后。域中的元素需要为边界层元素留出空间。它们可以在脸部和边缘内移动，但是它们不能脱离并从脸上移出或远离边缘。如果不允许元素移动，则尝试进入域的元素和边界层元素都可以被压缩。

下面的屏幕截图显示了艾哈迈德体后面添加的一个域，以控制尾流的网格尺寸。该域并不能一直到达底部，因此，如果不允许运动，则在风洞地板上引入的边界层网格将被压在地板和额外域的底部之间。comsol®软件具有所谓的网格控制实体，如汽车后面的网格控制域所看到的那样。

当网格控制域将其完全嵌入网格中时，它会消失，从而释放以前限制在需要移动时在其边界内的元素（例如，当创建边界层网格时）。在这种情况下，网格控制实体下方地板上的边界层网格将能够移动上方和跨网格控制面的元素，以避免挤压元素。

艾哈迈德车身模型在简化汽车后面具有网格控制域。

当删除实体时，网格控制实体可以在本地平滑网格，因此即使没有边界层网格，它们通常会在本地产生质量较高的网格。

在此博客系列有关CFD问题的下一部分中，我们将介绍物理控制的网格，不同的网格划分工具和自适应网格的精炼。敬请关注！

编辑注释，6/13/18：此博客系列的第二部分，“您的网格划分技术指南，用于有效的CFD建模“，现在是活的。

下一步

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