【導讀】盡管計算機的處理能力不斷提升，但依然有必要提高數值仿真的效率。在 CFD 仿真中，求解的質(zhì)量在很大程度上取決于網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格間距如果不能求解流體變量的局部變化，就會(huì )引入離散化誤差。另一方面，如果網(wǎng)格過(guò)于精細，就會(huì )增加不必要的計算時(shí)間和工作量。網(wǎng)格元素類(lèi)型和數據結構也會(huì )影響生成網(wǎng)格所需的人力時(shí)間和技能，以及單位精度的成本。
盡管計算機的處理能力不斷提升，但依然有必要提高數值仿真的效率。在 CFD 仿真中，求解的質(zhì)量在很大程度上取決于網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格間距如果不能求解流體變量的局部變化，就會(huì )引入離散化誤差。另一方面，如果網(wǎng)格過(guò)于精細，就會(huì )增加不必要的計算時(shí)間和工作量。網(wǎng)格元素類(lèi)型和數據結構也會(huì )影響生成網(wǎng)格所需的人力時(shí)間和技能，以及單位精度的成本。
圖 1. 基于局部誤差和基于輸出的自適應技術(shù)對比。
如圖 1 所示，網(wǎng)格自適應（可以基于局部誤差，也可以基于輸出）是一種常用的技術(shù)，有助于提高仿真效率。非結構化的網(wǎng)格自適應技術(shù)用于縮小網(wǎng)格大小，以達到所需的求解精度。這種技術(shù)能夠大大縮短處理時(shí)間，減少內存需求和所需的存儲空間。然而，由于無(wú)法獲得基礎的 CAD 數據，自適應工具只限于提高體外網(wǎng)格的分辨率。
而 Fidelity CFD 中的網(wǎng)格自適應技術(shù)能夠維護幾何形狀，提高網(wǎng)格質(zhì)量，適應近壁剪切層，并減少運行時(shí)間，改善了 CFD 解決方案。
網(wǎng)格自適應技術(shù)的設計挑戰
使用網(wǎng)格自適應技術(shù)來(lái)提高網(wǎng)格質(zhì)量會(huì )面臨一些常見(jiàn)的挑戰：
自適應無(wú)法求解正確的幾何形狀
大多數自適應程序都是內置在 CFD 求解器中的。因此，它們只是自動(dòng)適應實(shí)際幾何體（即現有幾何體）的一個(gè)近似面。在適應之后，就為錯誤的幾何體生成了理想網(wǎng)格。
自適應會(huì )降低局部細化網(wǎng)格的質(zhì)量
許多自適應程序使用逐個(gè)擊破的方法來(lái)充實(shí)網(wǎng)格，即把現有的網(wǎng)格元素局部劃分為額外的元素。這種方法雖然編程起來(lái)比較方便，但會(huì )導致網(wǎng)格質(zhì)量隨著(zhù)細化而不斷下降，降低穩健性，增加運行時(shí)間，甚至可能增加離散性。
在流體變量梯度很大的近壁剪切層中
進(jìn)行自適應面臨重重挑戰
簡(jiǎn)單粗暴地在近壁處使用各向同性的細化，會(huì )導致網(wǎng)格尺寸激增。一種常見(jiàn)的策略是采用拉伸四面體來(lái)解析墻面上的大梯度變量，而不對墻面進(jìn)行過(guò)度細化。然而，這種方法會(huì )導致網(wǎng)格質(zhì)量大幅度下降。
自適應程序常常導致運行時(shí)間過(guò)長(cháng)
這是因為網(wǎng)格在某些方向或位置被過(guò)度細化，或者在自適應過(guò)程中網(wǎng)格質(zhì)量下降，導致 CFD 求解器運行效果不佳，甚至難以決定何時(shí)停止細化程序。
2. Fidelity CFD 網(wǎng)格劃分工具的優(yōu)勢
Fidelity Pointwise 是一個(gè)網(wǎng)格生成解決方案，在網(wǎng)格構建技術(shù)和網(wǎng)格風(fēng)格方面提供了充分的靈活性。這種靈活性根植于 Fidelity CFD 網(wǎng)格劃分工具的網(wǎng)格劃分理念，使其能夠涵蓋廣泛的工作流程。
Pointwise 網(wǎng)格自適應技術(shù)以協(xié)調的自動(dòng)化方式將網(wǎng)格劃分和求解步驟分離開(kāi)來(lái)，能夠根據變化中的流體解或基于應用目標對網(wǎng)格進(jìn)行細化（如圖 2 所示）。
圖 2. 針對兩個(gè)不同目標對菱形機翼進(jìn)行網(wǎng)格自適應，即適應阻力（左）和適應沖擊傳播（右）。
這款自動(dòng)網(wǎng)格細化工具只用于網(wǎng)格存在缺陷的區域。首先創(chuàng )建一個(gè)基線(xiàn)流體解，通過(guò)使用該流體解，估計與網(wǎng)格尺寸缺陷相對應的誤差。這個(gè)步驟要重復多次，以便更好地控制網(wǎng)格離散化誤差。對于高質(zhì)量的 CFD 網(wǎng)格劃分，這種方法也可以用于體外的體素網(wǎng)格劃分，以便體外特征實(shí)現均一、出色的分辨率，特別是捕捉尾流區域時(shí)。
在圖 3 中，使用網(wǎng)格自適應工具對轎車(chē)的尾流剪切層網(wǎng)格進(jìn)行了精細處理。
圖 3：網(wǎng)格細化，以定義體外特征。
3. 總結
Fidelity Pointwise 網(wǎng)格自適應工具：
適應基礎幾何形狀
有效求解邊界層區域內的網(wǎng)格
有效控制適應速率，逐步提高網(wǎng)格質(zhì)量
減少運行時(shí)間
（本文轉載自： Cadence楷登PCB及封裝資源中心微信公眾號）
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