组合结构化和非结构化网格：CFD 工程师的圣杯

作者：Benoit Mallol，Cadence 高级产品工程经理

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在 CFD 历史上，结构化网格最早出现，至今仍在使用。结构化网格具有几个主要优点，例如精确度、生成速度和细胞的均匀分布。Automesh（以前称为 Autogrid） 擅长生产这些类型的网格，非常适合具有任何叶片几何形状的涡轮机械应用。

随着几何形状的复杂性开始增加（现在通常有超过 10k 个表面），出现了对另一种类型的网格——具有非结构化属性的网格的需求。某些几何形状的问题在于它们在定义（“脏”或“不干净”）方面缺乏准确性，并且它们没有呈现出可以应用标准结构化网格拓扑的任何特定趋势。CFD 用户必须花费大量时间来定义这些新拓扑并在开始网格化之前清理几何体。换句话说，一旦几何图形超出了结构化网格应用的经典范围，争论就会开始：我们什么时候应该坚持创建结构化网格，而不是简单地切换到非结构化网格？ 

如果要考虑的唯一因素是要捕获的物理特性和所需的精度类型，那么这个问题很容易回答。然而，还有第三个因素：流动求解器必须能够读取其背后的网格类型，并且由于大多数流动求解器只接受结构化或非结构化网格，这是一个双赢的局面。

然而，这种看似双赢的局面正是 Cadence 提供创新解决方案的地方。Cadence 在为相应应用程序提供正确技术方面享有盛誉，因此，我们的工程师在我们的 CFD 套件中开发了一个解决方案，用户可以通过单击在网格划分方法之间切换，使他们不仅可以在同一项目中访问--但也在同一个视图中--所有几何体的部分，无论首选的网格划分技术如何。

对于类似叶片的几何形状，用户可以应用结构化方法，对于非旋转部件，如燃烧室、蜗壳等，用户可以应用非结构化方法，这两种方法都在 Automesh 中可用（非结构化模块以前称为 Hexpress）。作为示例，一个完整的涡轮机如下所示（此处详细介绍了完整的模拟）。每个部分都可以单独完成，网格生成本身是并行的。因此，如果我们有能力同时运行它们，则需要 19 分钟。 

 

因此，我们看到越来越多的用户根据几何组件应用最佳方法。我们绝对可以识别其他一些，例如叶轮及其蜗壳、船舶及其螺旋桨等。

 

 

 

进一步推动这个想法：由于 Cadence 在 Automesh 中提供了两种网格划分方法，那么在单个几何体中的不同位置使用它们怎么样？我们之前说过，叶片最好用结构化网格模块创建（它还可以做很多特殊配置，例如冷却孔、不对称端壁、外壳处理等）。但是对于任何结构化网格生成器来说，几何的某些部分仍然很棘手。因此，一种技术包括从结构化网格中移除几个块（远离困难部分），然后重新插入一个非结构化网格块，其中包括复杂的尖端几何形状（如下例所示）。因此，大部分网格都是用结构化网格完成的，但最复杂的部分是用非结构化方法完成的。

 

这还不是全部。Cadence 还提出了使用初始结构化网格生成非结构化网格的想法。实际上，对于体积到表面的方法，非结构化网格通常基于进一步细化的初始笛卡尔或圆柱网格。但细化实际上可以从任何类型的单元排列开始：直线或曲线跟随任何形状，它可以支持不同的单元分布。 

一些应用程序非常适合该概念：作为证明，我们将其用于水翼模拟（此处有所有详细信息）。该网格由海洋模拟背景域上的重叠网格组成。这个重叠的网格遵循箔的几何曲线，其宽度基于弦，长度基于跨度。结果确实令人印象深刻，并且优于任何其他方法： 

• 全局网格质量非常好（因此网格生成速度提高）

• 粘性层的高度符合理论预期

• 重叠边界处的单元质量对于求解器插值是最佳的

  

 

所有这些概念都非常重要并且成为可能，因为 Cadence Fidelity Flow 求解器的数据结构 旨在理解这两种网格技术。换句话说，对用户来说好处是立竿见影的：不再需要从结构化到非结构化的转换，从网格到求解器的转换是直接的，并且流求解器使用结构化和非结构化网格的最佳组合！