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[其他相关] Fluent流动与传热之:网格基础

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发表于 2022-6-28 10:49 | 显示全部楼层 |阅读模式

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为什么要在网格上花时间?
  · 低质量网格可能造成计算发散;

  · 低质量的网格可能造成错误的结果;

  · 不合理的网格可能造成精度较低的结果。
1.png

网格的种类
对于Fluent而言,支持的网格种类包括:全六面体网格、混合网格(四面体、三棱柱、金字塔、多面体等)。
2.png
网格的选择主要考量三个方面:

  · 精度:一般在简单模型中六面体网格精度最高,但在实际工程中,六面体网格精度不一定最高。

  · 数量:对关注的位置,需要对其进行加密,六面体网格对局部加密不友好。

  · 耗费的资源与工时。

网格无关性的检查
  · CFD的计算结果与网格的大小密切相关;

  · 应予网格大小对计算结果的影响进行谨慎评估;

  · 同一个算例,使用不同大小的网格进行网格无关性检查。

  · 所有网格都满足壁面函数对y+的要求(第一层网格处于非层流区)。
3.png

网格质量的评价标准
EquiAngle Skew、Size Change(Growth Rate)、Aspect ratio、Alignment with the flow,等等。

EquiAngle Skew:
4.png
最重要的网格质量指标是EquiAngle Skew()
5.png
θmax=Largest angle in face or cell

θmin=Smallest angle in face or cell

θe=Angle for equiangular face or cell
6.png
尽管当Skewness为0.9时,网格质量非常差,还是可以通过Fluent算法去弥补。但是对于一般模型,FluentMeshing都有足够能力获取较好的网格质量。
7.png
Skewness的影响:

如下,在模拟冰层的融化,“仅”7个网格单元的扭曲度在0.95以下,迭代到73步时,求解发散。
8.png
如下,共轭换热分析,局部网格扭曲度达0.99,计算可以收敛,但结果出现热点;网格修正后,结果分布合理。
9.png

Size Change:

最重要的网格质量指标是Size Change()
10.png
式中,Qsc 表示周围的网格体积与该网格体积完全相同Vi=V1=V2=VV=Vn (i.e. 均匀网格)。

相邻网格单元的体积激变会导致较大的截断误差。

Size Change的影响:
11.png

Aspect Ratio:

Aspect Ratio 指标 (QAR) 对不同类型的网格采用不同的定义方法。一般<1000,双精度求解器

对于三角形或四面体
12.png
f is a scaling factor

f=1/2 for tri elements and f=1/3 for tet elements.

R网格外切圆 (tri) 或球 (tet) 的半径;r 网格内切圆(tri) 或球 (tet) 的半径。
13.png
对于四边形或六面体
14.png
ei 是网格的某方向的边的长度的平均值。

随不同网格类型而不同

N=2 for quad elements
N=3 for hex elements
15.png

Alignment with the Flow:

混合网格比六面体产生更大的计算误差?

  · 混合网格可能展现出更大的优势;

  · 算法上可进行一定程度的抑制,但是无法避免;

  · 高阶插值格式;
16.png
  · 但不是绝对的;

  · 网格质量的影响;

  · 流动方向与网格方向的关系?

  · 当流动情况复杂,而几何的约束导致六面体网格方向必须保持在某个方向时,Hex 和Quad 网格可能会对计算结果产生负面的影响。

网格质量小结
网格质量对计算结果、收敛特性有巨大的影响,CFD工程师需要从多方面评判网格的质量。尽管网格质量扮演着非常重要的角色,在多数场景下,可以用算法来弥补网格的不足。

  · Poor Mesh Numerics

  · Warped Face Gradient Correction

  · Double Precision Solver

  · Temperature secondary gradient for skewed meshes

网格工具的选择
ICEM CFD 适合于高速外气动等,要求完全六面体网格的问题。
17.png
Workbench Meshing 适合几何参数化/优化的问题。
18.png
Fluent Meshing 适合于其他问题,无所谓几何好坏。
19.png
来源:BB学长微信公众号(ID:fj_chenzhibin),作者:CFD控。

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发表于 2023-12-27 17:09 | 显示全部楼层
学习了,谢谢
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