Fluent Meshing 自动网格生成完整学习笔记

作者角色: CFD资深工程师
适用版本: Fluent Meshing 2023及以上版本
文档类型: 技术学习笔记与操作指南

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目录

• 第一章：背景与基础概念
• 第二章：Fluent Meshing工作流程概述
• 第三章：几何导入与准备
• 第四章：表面网格生成
• 第五章：体积网格生成
• 第六章：网格质量评估
• 第七章：网格质量问题诊断与修复
• 第八章：高级技巧与最佳实践
• 第九章：常见问题FAQ

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第一章:背景与基础概念

1.1 什么是Fluent Meshing?

定义: Fluent Meshing是ANSYS Fluent集成的网格生成工具,采用基于Mosaic技术的自动化网格生成方法。

核心优势:

• 高度自动化: 从CAD到求解就绪网格,最少的人工干预
• Mosaic混合网格技术: 结合多面体、六面体、棱柱层的优势
• 鲁棒性强: 能处理复杂、脏几何
• 速度快: 相比传统网格划分工具,速度提升2-5倍

1.2 网格类型基础知识

1.2.1 网格分类

网格类型	特点	适用场景	计算效率
四面体网格	自适应性强,易生成	复杂几何	中等
六面体网格	精度高,单元数少	规则几何	高
多面体网格	收敛性好,稳定性高	通用场景	高
棱柱层网格	捕捉边界层	壁面流动	高(边界层区域)
Mosaic网格	混合优势,自适应	复杂工业应用	最优

1.2.2 为什么选择自动网格生成?

传统网格划分的挑战:

• 几何清理耗时(占总时间50-70%)
• 需要高度专业技能
• 迭代周期长
• 难以标准化

自动网格生成的价值:

• ✅ 减少网格生成时间80%以上
• ✅ 降低对操作者经验要求
• ✅ 提高网格一致性和可重复性
• ✅ 快速响应设计变更

1.3 Mosaic技术原理

技术核心:

1. 表面网格: 高质量三角形/四边形混合
2. 边界层: 各向异性棱柱层网格
3. 核心区域: 多面体/六面体混合网格
4. 过渡区: 平滑连接不同网格区域

为什么Mosaic性能优越?

• 边界层用棱柱层(捕捉梯度)
• 核心区用多面体(减少单元数)
• 智能过渡(保证连续性)
• 各向异性控制(平衡精度和效率)

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第二章:Fluent Meshing工作流程概述

2.1 完整工作流程图

CAD几何导入
    ↓
几何检查与修复 (可选)
    ↓
定义计算域边界
    ↓
设置表面网格参数
    ↓
生成表面网格
    ↓
表面网格质量检查
    ↓
定义边界层区域
    ↓
设置体积网格参数
    ↓
生成体积网格
    ↓
体积网格质量评估
    ↓
质量优化与修复
    ↓
输出到Fluent求解器

2.2 工作流程阶段说明

阶段	目的	时间占比	关键点
几何准备	确保几何可用性	10-15%	拓扑正确性
表面网格	建立边界表达	20-25%	曲率捕捉
体积网格	填充计算域	30-40%	单元质量
质量检查	确保求解稳定	15-20%	关键指标
优化迭代	提升网格质量	10-15%	针对性修复

2.3 自动化vs手动控制

自动化模式 (推荐初学者):

• Watertight Geometry工作流
• 一键生成
• 默认参数优化

手动控制模式 (推荐专家):

• 分步骤执行
• 精细参数调整
• 局部加密控制

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第三章:几何导入与准备

3.1 几何导入

3.1.1 支持的文件格式

常用CAD格式:

• ✅ STEP (.stp, .step) - 推荐,通用性好
• ✅ IGES (.igs, .iges) - 兼容性强
• ✅ Parasolid (.x_t, .x_b) - 高保真度
• ✅ ACIS (.sat) - SolidWorks等
• ✅ CATIA (.CATPart) - 原生格式
• ✅ NX (.prt) - 原生格式

网格格式:

• ✅ STL (.stl) - 适用于复杂曲面
• ✅ Fluent Mesh (.msh)

3.1.2 导入操作步骤

步骤1: 启动Fluent Meshing

File → New → Watertight Geometry

步骤2: 导入几何

File → Import → Geometry
- 选择文件类型
- 浏览并选择文件
- 设置单位(非常重要!)

关键要点:

• ⚠️ 单位检查: CAD单位必须与Fluent一致(m, mm, cm等)
• ⚠️ 坐标系: 确认几何朝向正确
• ⚠️ 装配体: 多部件时检查相对位置

3.1.3 几何显示与检查

操作要点:

Display → Geometry
- Graphics → Outline: 查看外轮廓
- Graphics → Edges: 检查边缘
- Graphics → Surfaces: 查看表面

检查项目清单:

• 几何完整性(无缺失部件)
• 尺寸合理性(数量级检查)
• 朝向正确性(符合物理预期)
• 装配间隙(是否有非物理间隙)

3.2 几何清理与修复

3.2.1 为什么需要几何清理?

常见几何问题:

1. 间隙 (Gaps): 表面之间的微小缝隙
2. 重叠 (Overlaps): 表面交叠
3. 短边 (Short Edges): 导致网格扭曲
4. 尖角 (Sharp Angles): 影响网格质量
5. 碎片 (Slivers): 退化的面

影响:

• ❌ 网格生成失败
• ❌ 网格质量低劣
• ❌ 求解不收敛
• ❌ 计算结果错误

3.2.2 自动几何修复

Watertight几何工作流 (推荐):

步骤1: 添加到Watertight

Workflow → Watertight Geometry → Add Geometry

步骤2: 几何描述

Describe Geometry
- 定义流体区域 (Fluid)
- 定义固体区域 (Solid)
- 识别对称面 (Symmetry)

为什么要描述几何?

• ✓ 自动识别流体域
• ✓ 正确处理内部/外部
• ✓ 优化网格生成策略

步骤3: 设置最小尺寸

Update Boundaries → Set Minimum Size
- Curvature Sizing: 自动曲率捕捉
- Minimum Size: 设置最小单元尺寸

最小尺寸选择原则:

• 太小 → 单元数过多,计算昂贵
• 太大 → 几何特征丢失
• 推荐: 最小特征尺寸的1/10 - 1/5

3.2.3 手动几何修复工具

工具位置: Geometry → Repair

常用修复工具:

1. Merge Edges/Faces
   • 用途: 合并碎片化的小面
   • 参数: Tolerance (容差)
   • 经验值: 最小网格尺寸的0.1倍
2. Connect/Disconnect
   • 用途: 修复间隙或分离不需要的连接
   • 场景: 多部件接触面处理
3. Delete and Patch
   • 用途: 删除有问题的面并自动补丁
   • 场景: 小孔、凸起的简化
4. Stitch
   • 用途: 缝合开口
   • 参数: Stitching Tolerance
   • 注意: 不要过度缝合,可能改变几何

修复策略:

诊断 → 识别问题类型 → 选择工具 → 验证修复效果

3.3 计算域定义

3.3.1 流体域识别

自动识别方法:

Workflow → Describe Geometry → Identify Regions
- 选择种子面 (Seed Face)
- 自动扩展流体域

为什么需要种子面?

• 告诉软件"这是流体区域的内部"
• 自动识别封闭的流体空间
• 避免误识别固体区域

手动定义方法:

Boundary → Create Zones
- 选择表面
- 指定为: wall, inlet, outlet等

3.3.2 边界类型设置

常见边界类型:

边界类型	物理意义	命名建议	示例
velocity-inlet	速度入口	inlet_1, inlet_main	进气口
pressure-outlet	压力出口	outlet_1, outlet_main	排气口
wall	固壁	wall_pipe, wall_blade	管壁、叶片
symmetry	对称面	sym_xy, sym_plane	对称边界
periodic	周期边界	periodic_1, periodic_2	旋转机械
interior	内部面	interior	区域交界面

命名规范重要性:

• ✓ 便于后续边界条件设置
• ✓ 团队协作标准化
• ✓ 自动化脚本友好

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第四章:表面网格生成

4.1 表面网格基础

4.1.1 表面网格的作用

功能:

1. 几何表达: 离散化表示CAD边界
2. 体网格基础: 作为体积网格生成的输入
3. 边界条件载体: 施加物理边界条件

质量要求:

• 准确捕捉几何曲率
• 单元分布均匀合理
• 边界清晰定义

4.1.2 表面网格类型

三角形网格 (默认):

• 优点: 自适应性强,易生成
• 用途: 复杂曲面,自由曲面

四边形网格:

• 优点: 更规则,质量潜力高
• 用途: 规则表面,结构化需求

混合网格 (Mosaic):

• 优点: 结合两者优势
• 自动适配几何特征

4.2 表面网格参数设置

4.2.1 全局尺寸参数

位置: Workflow → Add Local Sizing

关键参数详解:

1. 最大尺寸 (Max Size)

• 定义: 单个表面单元的最大边长

• 作用: 控制网格的整体粗细

• 选择依据

  :

  • 初始粗网格: 0.1 × 特征尺寸
  • 精细网格: 0.01 × 特征尺寸

• 经验公式

  Max Size = L_ref / (20~100)

  • L_ref: 参考特征长度(如管径)

2. 最小尺寸 (Min Size)

• 定义: 允许的最小单元尺寸

• 作用: 防止过度细化,避免微小单元

• 选择依据

  :

  • Min Size ≥ 最小几何特征 / 5
  • 通常 Min Size = Max Size / 10~100

• 风险: 太小导致单元数爆炸

3. 曲率法向角 (Curvature Normal Angle)

• 定义: 曲率驱动加密的角度阈值

• 作用: 自动在弯曲处加密

• 推荐值

  :

  • 粗网格: 15-18°
  • 中等网格: 10-15°
  • 精细网格: 5-10°

• 原理: 相邻单元法向量夹角不超过该值

4. 增长率 (Growth Rate)

• 定义: 相邻单元尺寸的比值

• 作用: 控制网格过渡的平滑性

• 推荐值: 1.1 - 1.2 (不要超过1.3)

• 为什么重要?

  :

  • 太大(>1.3): 过渡突兀,影响精度
  • 太小(<1.1): 网格过渡区过长,浪费单元

4.2.2 局部尺寸控制

为什么需要局部控制?

• 关键区域(如翼型前缘)需要更精细
• 次要区域可以粗化节省资源
• 实现"按需精细化"

方法1: BOI (Body of Influence) 控制

操作步骤:

Workflow → Add Local Sizing → Body of Influence
1. 创建BOI几何体(Box, Cylinder, Sphere等)
2. 定义BOI内部的网格尺寸
3. 与全局尺寸形成过渡

应用场景:

• 喷嘴区域精细化
• 旋涡核心区域加密
• 感兴趣流动区域

方法2: 面/边控制

操作步骤:

Workflow → Add Local Sizing → Face/Edge Sizing
1. 选择特定面或边
2. 设置该区域的尺寸参数
3. 可覆盖全局设置

典型应用:

• 翼型前后缘加密
• 进出口边界细化
• 薄壁结构特殊处理

参数配置示例:

全局设置:
- Max Size: 10 mm
- Min Size: 0.5 mm

翼型前缘(Face Sizing):
- Max Size: 1 mm  (10倍加密)
- Min Size: 0.1 mm

远场区域(BOI):
- Max Size: 50 mm  (5倍粗化)

4.3 表面网格生成操作

4.3.1 生成表面网格

Watertight工作流:

Workflow → Generate the Surface Mesh
- 点击执行
- 观察进度信息
- 检查完成状态

执行过程:

1. ⏳ 初始化: 读取几何和参数
2. ⏳ 曲率分析: 识别高曲率区域
3. ⏳ 单元生成: 创建三角形单元
4. ⏳ 质量优化: 平滑和改善
5. ✅ 完成: 输出表面网格

时间估计:

• 简单几何: 几秒到几十秒
• 中等复杂度: 1-5分钟
• 高度复杂: 10-30分钟

4.3.2 表面网格显示与检查

显示表面网格:

Display → Mesh
- Mesh → Surface Mesh
- 选择显示模式: Mesh, Nodes, Both

检查视角:

View → Standard Views
- 使用Top, Front, Side等标准视角
- 使用Rotate, Pan, Zoom详细检查

重点检查区域:

• 🔍 高曲率区域(是否足够密集)
• 🔍 特征边缘(是否清晰捕捉)
• 🔍 连接处(是否平滑过渡)
• 🔍 边界定义(是否准确)

4.4 表面网格质量初步评估

4.4.1 可视化检查

网格单元显示:

Display → Mesh → Surface Mesh
- Shrink Factor: 0.9 (看清单元边界)
- Coloring: By Zone (检查区域划分)

质量指标显示:

Display → Quality → Face Quality
- Coloring: By Quality Metric
- 选择指标: Skewness, Aspect Ratio等

4.4.2 定量检查

查看网格信息:

Mesh → Info → Size
- Total Faces: 总面数
- Zone-wise: 各区域统计

快速质量报告:

Mesh → Quality → Surface Mesh Quality
- 查看最小/最大/平均质量
- 识别问题区域

可接受标准 (初步):

• 面数合理: 与几何复杂度匹配
• 尺寸分布: 渐变均匀
• 无明显畸变: 目视检查

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第五章:体积网格生成

5.1 体积网格类型选择

5.1.1 Fluent Meshing支持的体网格类型

1. Poly-Hexcore (推荐)

• 组成: 多面体+六面体核心

• 优势

  :

  • 精度高,收敛快
  • 单元数少(比tet少30-50%)
  • 鲁棒性强

• 应用: 大多数CFD应用

2. Poly (纯多面体)

• 组成: 纯多面体网格

• 优势

  :

  • 最好的收敛特性
  • 对网格质量不敏感

• 应用: 复杂几何,旋转机械

3. Tet (四面体)

• 组成: 四面体网格

• 优势

  :

  • 生成速度快
  • 传统方法,成熟

• 应用: 结构分析,快速原型

4. Hex (六面体)

• 组成: 结构化六面体

• 优势

  :

  • 最高精度潜力
  • 单元数最少

• 难点

  :

  • 需要可分块几何
  • 人工工作量大

选择建议:

通用CFD → Poly-Hexcore
旋转机械 → Poly
快速验证 → Tet
结构化流动 → Hex

5.2 边界层网格设置

5.2.1 边界层的重要性

为什么必须设置边界层?

物理原因:

• 壁面附近速度梯度极大
• 湍流模型对y+敏感
• 传热主要发生在边界层

数值原因:

• 捕捉速度剖面
• 减少数值耗散
• 提高解的精度

不设置边界层的后果:

• ❌ 壁面摩擦阻力计算不准
• ❌ 传热系数误差大
• ❌ 分离点预测错误
• ❌ 收敛困难

5.2.2 边界层参数详解

位置: Workflow → Add Boundary Layer

关键参数深度解析:

1. First Layer Height (第一层高度)

定义: 紧贴壁面第一层网格的厚度

如何确定?

方法一: y+驱动 (推荐)

y+ = (y × u* × ρ) / μ

y+ 目标值选择:
- 壁面函数法: y+ = 30~300
- 增强壁面处理: y+ ≈ 1~5
- SST k-ω模型: y+ < 1 (推荐)
- k-ε模型: y+ > 30

反推第一层高度:
y = (y+ × μ) / (ρ × u*)

其中:
u* = 摩擦速度 = √(τ_w / ρ)

方法二: 经验公式

湍流边界层: y₁ = 0.001 × L_ref
层流边界层: y₁ = 0.0001 × L_ref
L_ref: 特征长度(如管径,翼弦)

方法三: 在线计算器

• Pointwise CFD Gridding Tools
• ANSYS官方y+计算器

实例计算:

场景: 管道流动,Re=50000
- 参考长度 L = 0.1 m
- 流速 U = 10 m/s
- 目标 y+ = 1

u* ≈ 0.05 × U = 0.5 m/s (估算)
μ/ρ = 1.5e-5 m²/s (空气)

y₁ = (1 × 1.5e-5) / 0.5 = 3e-5 m = 0.03 mm

2. Number of Layers (层数)

定义: 边界层网格的层数

选择原则:

最小层数: 5层
推荐层数: 10-15层
最大层数: 20-30层

为什么不是越多越好?

• 层数过多 → 过渡区变厚 → 浪费单元
• 需要与边界层厚度匹配

估算边界层厚度:

湍流: δ ≈ 0.37 × L × Re_L^(-1/5)
层流: δ ≈ 5 × L / √Re_L

层数选择:
N_layers = log(δ / y₁) / log(Growth_Rate)

3. Growth Rate (增长率)

定义: 相邻两层网格厚度的比值

推荐值:

通用: 1.2
y+<1需求: 1.1-1.15 (更平滑)
粗网格: 1.3 (最大,不再增加)

数学表达:

y_n = y₁ × r^(n-1)

总厚度: δ_total = y₁ × (r^N - 1) / (r - 1)

选择策略:

• r太小 → 层数需要很多才能覆盖边界层
• r太大 → 过渡突兀,影响精度
• 平衡点: r = 1.2

4. 边界层区域选择

操作:

Select Boundaries for Prism Layers
- 选择: walls (所有固壁)
- 不选择: inlet, outlet, symmetry

为什么有些边界不加边界层?

• Inlet/Outlet: 主流方向,梯度小
• Symmetry: 对称面,无粘性效应
• Interior: 内部面,不需要

特殊情况:

• 自由液面: 可能需要加密,但不用棱柱层
• 多孔介质: 不加边界层

5.3 体积网格生成操作

5.3.1 生成体网格

Watertight工作流:

Workflow → Generate the Volume Mesh
- 点击执行按钮
- 选择网格类型: poly-hexcore(默认)
- 监控生成进度

生成过程解析:

阶段1: 边界层生成 (30-40%)

⏳ Generating Prism Layers...
- 从壁面向内生长
- 创建棱柱层单元
- 处理碰撞和交汇

为什么耗时?

• 需要求解Eikonal方程
• 处理复杂拓扑
• 避免单元自交

阶段2: 核心区域填充 (40-50%)

⏳ Filling Core Region...
- 生成四面体基础网格
- 转换为多面体/六面体
- 创建过渡层

阶段3: 质量优化 (10-20%)

⏳ Improving Mesh Quality...
- 平滑操作
- 节点优化
- 单元重构

5.3.2 体网格参数微调

高级设置 (可选):

Workflow → Volume Mesh Options

关键参数:

1. Max Cell Length in Gap

• 作用: 控制狭窄间隙处的网格尺寸
• 推荐: Gap Width / 3~5
• 场景: 薄壁、窄缝流动

2. Max Size in Prism Transition

• 作用: 边界层到核心区的过渡尺寸
• 推荐: 2~3 × Last Prism Layer Height
• 目的: 平滑过渡

3. Improve Volume Mesh

• 作用: 额外的质量优化迭代

• 选项

  :

  • Standard (默认)
  • Aggressive (更多迭代)
  • None (跳过优化)

5.3.3 生成时间估计与优化

时间影响因素:

1. 几何复杂度 (主要)
2. 网格尺寸 (二次方关系)
3. 边界层层数
4. 计算机性能

典型生成时间:

简单管道(100万单元): 2-5分钟
汽车外流场(1000万单元): 20-60分钟
发动机舱(5000万单元): 2-6小时

加速技巧:

• 使用SSD硬盘
• 增加RAM(建议≥32GB)
• 并行计算(多核CPU)
• 分区域生成(大模型)

5.4 体积网格检查

5.4.1 可视化检查

切面显示:

Display → Mesh → Mesh
- Section Planes: 创建切面
- 选择平面: XY, YZ, ZX
- 查看内部网格结构

检查重点:

边界层:
- 是否完整生成?
- 层数是否达到预期?
- 有无塌陷或扭曲?

过渡区:
- 从边界层到核心是否平滑?
- 有无突变?

核心区:
- 单元分布是否合理?
- 有无异常密集/稀疏区?

颜色映射检查:

Display → Quality → Cell Quality
- 选择指标: Skewness (首选)
- 颜色范围: 
  - 绿色: 优秀 (0-0.25)
  - 黄色: 良好 (0.25-0.5)
  - 橙色: 可接受 (0.5-0.8)
  - 红色: 差 (>0.8)

5.4.2 网格统计信息

查看网格报告:

Mesh → Info → Mesh

关键信息:

统计项目:
- Total Cells: 总单元数
- Cells by Type: 各类型单元分布
- Minimum Volume: 最小单元体积
- Maximum Aspect Ratio: 最大长宽比
- Skewness Range: 偏斜度范围

合理性检查:

✅ 单元数量: 
   - 与预期相符?
   - 是否在计算能力范围内?

✅ 单元类型分布:
   - Prism %: 边界层占比
   - Poly/Hex %: 核心区占比

✅ 体积检查:
   - 无负体积单元
   - 最小体积>0

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第六章:网格质量评估

6.1 网格质量指标体系

6.1.1 为什么网格质量至关重要?

质量差的网格导致:

1. ❌ 数值耗散增大 → 精度丧失
2. ❌ 收敛速度慢 → 计算时间长
3. ❌ 不收敛 → 求解失败
4. ❌ 非物理结果 → 错误结论
5. ❌ 稳定性差 → 解振荡

高质量网格带来:

1. ✅ 快速收敛 → 节省时间
2. ✅ 精度高 → 可靠结果
3. ✅ 稳定性好 → 鲁棒求解
4. ✅ 物理真实 → 正确预测

6.2 核心质量指标详解

6.2.1 Skewness (偏斜度) - 最重要指标

定义: 衡量单元形状偏离理想形状的程度

计算公式:

Skewness = max[
    (θ_max - θ_e)/(180° - θ_e),
    (θ_e - θ_min)/θ_e
]

θ_e: 理想单元的角度
θ_max, θ_min: 实际单元的最大、最小角度

物理意义:

• Skewness = 0: 理想正则单元
• Skewness → 1: 高度扭曲单元

质量标准:

优秀:   0.00 - 0.25  ✅✅✅
良好:   0.25 - 0.50  ✅✅
可接受: 0.50 - 0.80  ✅
差:     0.80 - 0.95  ⚠️ 慎用
很差:   0.95 - 1.00  ❌ 避免

实际应用标准:

工业CFD应用:
- 平均Skewness < 0.4
- 最大Skewness < 0.85
- >0.95的单元数 < 1%

学术研究:
- 平均Skewness < 0.3
- 最大Skewness < 0.75

检查方法:

Mesh → Quality → Cell Quality
- Metric: Skewness
- 查看直方图分布
- 定位高偏斜单元

6.2.2 Orthogonal Quality (正交质量)

定义: 衡量单元面法向与连接相邻单元中心连线的正交程度

计算:

Orthogonal Quality = 1 - Skewness

或更严格定义:
OQ = cos(θ)
θ: 面法向与中心连线夹角

质量标准:

优秀:   0.95 - 1.00  ✅✅✅
良好:   0.70 - 0.95  ✅✅
可接受: 0.20 - 0.70  ✅
差:     0.05 - 0.20  ⚠️
很差:   0.00 - 0.05  ❌

为什么重要?

• 影响梯度计算精度
• 影响压力-速度耦合
• 非正交性导致伪扩散

应用建议:

最小正交质量 > 0.15 (必须)
平均正交质量 > 0.7  (推荐)

6.2.3 Aspect Ratio (长宽比)

定义: 单元最长边与最短边的比值

计算:

Aspect Ratio = L_max / L_min

或更严格(对体单元):
AR = max(边长) / min(等效球直径)

质量标准:

边界层区域:
- 垂直方向: AR 可达 100~1000 (合理)
- 平行方向: AR < 5 (推荐)

核心区域:
- AR < 5  (优秀)
- AR < 20 (可接受)
- AR > 100 (需检查)

各向异性合理性:

✅ 合理的高长宽比:
   - 边界层(捕捉梯度)
   - 流向拉伸(主流方向)
   - 管道轴向(发展流)

❌ 不合理的高长宽比:
   - 涡流区(各向同性需求)
   - 分离区(多方向梯度)
   - 自由剪切层

检查时注意:

• 不要盲目追求AR<10
• 关注AR的方向性
• 考虑物理流动特征

6.2.4 Cell Volume (单元体积)

为什么检查体积?

• 负体积 → 网格拓扑错误
• 极小体积 → 时间步长限制
• 体积突变 → 数值振荡

检查方法:

Mesh → Info → Cell Volume
- Minimum Volume: 必须>0
- Volume Ratio: 相邻单元体积比

标准:

✅ 最小体积 > 0 (绝对要求)
✅ 体积比 < 100 (推荐)
⚠️ 体积比 > 1000 (需检查)
❌ 负体积任何数量 (必须修复)

极小体积的处理:

• 定位并显示
• 检查是否为几何特征
• 考虑局部网格重生成

6.2.5 Wall Y+ (边界层无量纲距离)

定义:

y+ = (y × u*) / ν

y: 壁面第一层网格高度
u*: 摩擦速度 = √(τ_w / ρ)
ν: 运动粘度

物理分区:

粘性底层:     y+ < 5   (线性分布)
缓冲层:       5 < y+ < 30
对数律区:     30 < y+ < 300
尾流区:       y+ > 300

湍流模型要求:

湍流模型	y+要求	说明
Standard k-ε	30 < y+ < 300	壁面函数,粗网格
Realizable k-ε	30 < y+ < 300	同上
SST k-ω	y+ < 1 (推荐)	可自适应,全y+
k-ω Standard	y+ < 1	近壁模型
Spalart-Allmaras	y+ < 1或>30	两种模式
LES	y+ < 1 (必须)	直接解析
DES	y+ ≈ 1 (推荐)	混合方法

如何检查y+? (需要先计算):

在Fluent求解器中:
Plot → XY Plot → Wall Yplus

事前估计 (网格阶段):

使用在线计算器或公式估算
确保第一层高度满足要求

6.3 质量检查操作流程

6.3.1 自动质量检查

执行质量报告:

Mesh → Quality → Cell Quality
- 点击 Compute
- 选择指标: Skewness (默认)
- 查看统计结果

报告内容:

Quality Metrics:
  Minimum: 0.025 (优秀)
  Maximum: 0.783 (可接受)
  Average: 0.234 (优秀)
  Standard Deviation: 0.112

Distribution:
  0.0-0.25: 87.3% ✅✅✅
  0.25-0.5: 11.5% ✅✅
  0.5-0.8: 1.1%   ✅
  0.8-0.95: 0.1%  ⚠️
  >0.95: 0 cells  ✅

判断标准:

✅ 通过: >80%单元在0-0.5范围
⚠️ 警告: >5%单元在0.5-0.8范围
❌ 不合格: >1%单元>0.85或任何>0.95

6.3.2 可视化定位问题单元

显示特定质量范围:

Display → Quality → Cell Quality
- Metric: Skewness
- Range: 0.8-1.0 (显示差单元)
- Color: Red (醒目标识)

定位到具体区域:

使用鼠标:
- 旋转到问题单元视角
- 放大查看细节
- 截图记录位置

标记和记录:

创建命名选择集:
Mesh → Create → Named Selection
- 选择: 高偏斜单元
- 命名: Bad_Cells_Skew>0.8
- 便于后续处理

6.3.3 多指标综合评估

质量指标组合检查:

同时检查(优先级排序):
1. Skewness      (最高优先级)
2. Orthogonal Quality
3. Aspect Ratio  (考虑物理)
4. Cell Volume   (排除异常)

综合评估模板:

| 指标 | 最小 | 最大 | 平均 | 标准 | 评价 |
|------|------|------|------|------|------|
| Skewness | 0.02 | 0.76 | 0.28 | <0.85 | ✅ |
| Orth.Qual| 0.24 | 1.00 | 0.89 | >0.15 | ✅ |
| Asp.Ratio| 1.1  | 245  | 8.3  | 考虑  | ✅ |
| Min.Volume| 1e-10| -  | -   | >0    | ✅ |

决策树:

所有指标合格 → ✅ 接受网格,进入求解
1-2个指标边界 → ⚠️ 小范围修复
多个指标不合格 → ❌ 重新生成网格

---

第七章:网格质量问题诊断与修复

7.1 常见网格质量问题

7.1.1 高偏斜度单元 (High Skewness)

问题特征:

• Skewness > 0.85
• 集中在特定区域
• 影响收敛性

常见原因:

1. 几何特征尖锐
   • 锐角、尖点
   • 薄片结构
2. 网格尺寸设置不当
   • 全局尺寸太大
   • 局部过渡太陡
3. 边界层与核心区冲突
   • 边界层过厚
   • 狭窄间隙处理不当

诊断方法:

1. 显示高偏斜单元
   Display → Cell Quality → Skewness > 0.85

2. 识别位置特征
   - 是否在尖角处?
   - 是否在狭缝区?
   - 是否在边界层?

3. 分析网格拓扑
   - 查看切面
   - 检查单元形状

7.1.2 边界层问题

问题类型:

A. 边界层塌陷

• 现象: 棱柱层扭曲或折叠

• 原因

  :

  • 第一层太厚
  • 增长率太大
  • 狭窄间隙

• 识别: 切面显示层叠或交叉

B. 边界层缺失

• 现象: 部分壁面无边界层

• 原因

  :

  • 表面网格质量差
  • 碰撞检测过严
  • 局部几何问题

• 识别: 壁面直接连接核心网格

C. 边界层厚度不足

• 现象: 层数少于预期

• 原因

  :

  • 生长参数设置错误
  • 与邻近边界冲突

• 识别: 统计实际层数

7.1.3 单元尺寸突变

问题特征:

• 相邻单元尺寸比>5
• 网格过渡不平滑
• 影响精度和收敛

常见位置:

• BOI边界处
• 局部加密与全局网格交界
• 不同区域连接处

诊断:

Display → Mesh → Colored by Cell Volume
- 查看体积分布
- 识别突变区域

7.2 网格修复方法

7.2.1 局部网格重生成

适用场景:

• 问题单元集中
• 影响区域明确
• 整体网格质量好

方法1: 局部尺寸调整

操作步骤:

1. 定位问题区域
   - 创建Named Selection
   
2. 添加局部尺寸控制
   Workflow → Add Local Sizing
   - 选择问题面/区域
   - 减小Max Size (加密)
   - 增大Min Size (避免过小)
   
3. 重新生成网格
   - 仅影响局部区域
   - 保留其他区域网格

参数调整策略:

问题: 高偏斜度
→ 操作: 减小该区域Max Size (加密30-50%)
→ 同时: 降低Growth Rate (1.2→1.15)

问题: 边界层塌陷
→ 操作: 增加First Layer Height
→ 或: 减少Number of Layers

方法2: 使用BOI精细化

操作:

1. 创建BOI覆盖问题区域
   Add Local Sizing → Body of Influence
   - Type: Box/Cylinder/Sphere
   - 包围问题区域,稍大
   
2. 设置BOI内部参数
   - Max Size: 全局的0.3-0.5倍
   - Curvature Angle: 减小(更精细)
   
3. 重新生成
   - 影响BOI内部
   - BOI外自动过渡

7.2.2 边界层参数优化

问题: 边界层塌陷/扭曲

解决方案集:

方案1: 增加第一层高度

当前: y₁ = 0.01 mm
调整: y₁ = 0.03 mm (3倍)

理由: 给边界层更多空间生长
风险: y+增大,需检查是否满足模型要求

方案2: 减少层数

当前: 15层
调整: 10层

理由: 降低总厚度,避免与核心网格冲突
风险: 边界层捕捉能力下降

方案3: 降低增长率

当前: Growth Rate = 1.2
调整: Growth Rate = 1.15

理由: 更平滑的过渡,减少扭曲
代价: 需要更多层数覆盖相同厚度

方案4: 局部禁用边界层

选择性禁用:
- 小曲率半径区域
- 狭窄间隙处
- 尖角位置

方法:
在边界层设置中取消选择该边界
或使用 Prism → Suppression 功能

问题: 狭窄间隙处理

专用方法:

设置: Max Cell Length in Gap
- 自动检测间隙宽度
- 在间隙处使用细网格
- 两侧边界层协调生长

推荐值: Gap Width / 3~5

7.2.3 平滑和优化工具

Fluent内置优化:

工具1: Smooth/Swap

Mesh → Modify → Smooth/Swap
- Method: Laplacian (平滑)
- Iterations: 5-20
- 作用: 改善节点位置

应用场景:

• 小幅质量提升
• 表面网格平滑
• 后处理微调

工具2: Improve Mesh Quality

Workflow → Volume Mesh → Improve Quality
- 自动识别差单元
- 重构单元拓扑
- 优化节点位置

效果:

• 可降低最大Skewness约10-20%
• 提升整体平均质量
• 计算时间增加

工具3: 单元转换

Mesh → Modify → Merge
- 合并小单元
- 减少高长宽比

Mesh → Modify → Split
- 分割大单元
- 局部加密

注意事项: ⚠️ 优化不能解决根本性几何问题 ⚠️ 过度优化可能改变网格拓扑 ⚠️ 始终保存优化前版本

7.3 针对性修复策略

7.3.1 尖角区域处理

问题: 尖角处高偏斜

策略1: 几何简化 (推荐)

如果允许:
- 倒角/倒圆角
- 移除非关键小特征
- 简化CAD模型

工具:
- CAD软件中预处理
- 或Fluent Meshing几何清理工具

策略2: 网格策略调整

不简化几何情况下:

方法A: 局部极细化
- 尖角处Max Size减至特征尺寸/20
- 使用Face/Edge Sizing
- 接受该处单元数增加

方法B: 控制边界层
- 尖角处不生成边界层
- 或使用薄边界层(少层数)

7.3.2 薄壁结构处理

问题: 薄壁两侧网格冲突

策略:

方法1: 薄壁精细化

设置要求:
- 薄壁两侧各≥3层网格
- Max Size ≤ 壁厚 / 6
- 两侧边界层协调生成

方法2: 虚拟厚度

如果薄壁极薄(< 0.1mm):
- 赋予虚拟厚度(如0.5mm)
- 使用薄壁边界条件补偿
- CFD后处理中考虑真实厚度

方法3: 零厚度建模

替代方案:
- 薄壁建模为零厚度面
- 使用wall边界条件
- 不生成实体网格

7.3.3 狭窄间隙处理

问题: 间隙处网格质量差

自动处理:

设置: Max Cell Length in Gap
- Fluent自动识别间隙
- 间隙内加密网格
- 边界层自适应

推荐: 间隙宽度 / 4

手动强化:

如果自动处理不足:

1. 创建BOI覆盖间隙区域
2. BOI内极细化: Max Size = Gap / 10
3. 两侧边界层减薄或禁用
4. 使用更细的表面网格

极限情况 (间隙<0.1mm):

考虑:
- 封闭间隙(如果流动不重要)
- 使用多孔介质模型替代
- 增大间隙(如果物理允许)

7.4 迭代修复流程

7.4.1 迭代修复的哲学

原则:

• 🎯 目标导向: 不追求完美,满足求解要求即可
• 🔄 渐进改善: 每次小幅调整,观察效果
• ⚖️ 权衡平衡: 质量vs单元数vs时间

7.4.2 标准修复流程

第1轮: 快速诊断

1. 运行质量检查
2. 记录问题统计
3. 可视化定位
4. 分类问题类型

决策: 问题严重性?
- 轻微(Max Skew<0.9) → 尝试求解
- 中等(0.9-0.95) → 优化修复
- 严重(>0.95或负体积) → 重新生成

第2轮: 针对性修复

根据问题类型选择方法:

高偏斜 → 局部加密
边界层问题 → 调整BL参数
尺寸突变 → 调整Growth Rate

第3轮: 验证与迭代

1. 重新生成网格
2. 质量检查对比
3. 评估改善程度

决策:
- 显著改善(达标) → 接受
- 部分改善 → 继续迭代
- 无改善或恶化 → 更换策略

第4轮: 求解验证

如果网格质量边界:
1. 进入Fluent求解器
2. 运行初始化
3. 迭代50-100步
4. 观察收敛行为

决策:
- 正常收敛 → ✅ 接受网格
- 不收敛 → 返回修复

7.4.3 修复决策树

网格质量问题
    ↓
问题单元比例?
    ├─ <1% → 局部修复 → 优化工具
    ├─ 1-5% → 参数调整 → 局部重生成  
    └─ >5% → 全局问题 → 重新审视策略
         ↓
    检查几何质量
         ├─ 几何有问题 → CAD修复
         └─ 几何OK → 网格策略调整
              ↓
         调整全局参数
              ├─ 粗化(减小单元数)
              └─ 细化(提高质量)
                   ↓
              重新生成 → 再次评估

---

第八章:高级技巧与最佳实践

8.1 网格独立性验证

8.1.1 为什么需要网格独立性研究?

目的: 确保数值解不依赖于网格密度,即网格足够细以捕捉物理现象

不做的后果:

• ❌ 无法判断结果可信度
• ❌ 可能浪费计算资源(过细)
• ❌ 可能丢失物理信息(过粗)

8.1.2 网格独立性验证步骤

步骤1: 生成多套网格

粗网格: 基准尺寸 × 2
基准网格: 预设尺寸
细网格: 基准尺寸 / 2
极细网格: 基准尺寸 / 4 (可选)

网格比例: 大约1 : 2 : 4 : 8的单元数

步骤2: 求解各套网格

相同设置:
- 相同边界条件
- 相同湍流模型
- 相同求解器设置
- 相同收敛标准

步骤3: 提取关键参数

选择对工程目标最关键的量:
- 压降
- 阻力/升力系数
- 传热系数
- 分离点位置
- 流量分配等

步骤4: 分析收敛性

制表对比:
| 网格 | 单元数 | 压降(Pa) | 变化率 |
|------|-------|---------|--------|
| 粗   | 50K   | 125.3   | -      |
| 基准 | 200K  | 132.7   | 5.9%   |
| 细   | 800K  | 134.1   | 1.1%   |
| 极细 | 3.2M  | 134.3   | 0.1%   |

判断: 细网格已达独立性(变化<2%)

步骤5: 选择最优网格

原则:
- 关键参数变化<2-3%
- 计算成本可接受
- 通常选择收敛曲线"拐点"处

本例: 选择细网格(800K单元)

8.1.3 GCI网格收敛指数法

Richardson外推法:

GCI = F_s × |ε| / (r^p - 1)

ε = (φ_fine - φ_coarse) / φ_fine
r = (N_fine / N_coarse)^(1/3) (网格加密比)
p = 观测收敛阶
F_s = 安全系数 (通常1.25)

应用:

计算GCI_fine < 5% → 网格充分

8.2 特殊应用的网格策略

8.2.1 旋转机械网格

特殊要求:

1. 周期性边界: 单通道建模
2. 滑移网格/MRF: 动静交界面处理
3. 叶尖间隙: 精细网格

网格策略:

叶片表面:
- y+ < 1 (必须)
- 边界层层数: 15-20层
- 表面曲率精细捕捉

叶尖间隙:
- 间隙高度方向: ≥10层网格
- 周向和弦向密集

周期面:
- 网格完全匹配
- 节点一一对应

工具:

TurboGrid (专用) 或
Fluent Meshing + Periodicity设置

8.2.2 多相流网格

特殊考虑:

1. 界面捕捉: 需要足够细
2. 密度差大: 影响稳定性
3. 表面张力: 界面网格敏感

网格策略:

自由液面区域:
- 高度方向加密
- ≥20层穿过预期界面
- 局部BOI细化

VOF方法:
- 使用适应性网格加密
- 根据体积分数梯度动态加密

Eulerian方法:
- 更粗网格可接受
- 关注全局流场

8.2.3 共轭传热网格

挑战:

• 流体-固体网格匹配
• 固体域可粗化
• 交界面网格一致性

策略:

流体域:
- 正常CFD网格策略
- 壁面边界层精细

固体域:
- 可使用粗网格
- 温度梯度大处加密
- 与流体壁面网格匹配

交界面:
- Conformal匹配 (推荐)
- 或 Non-conformal + 插值

Fluent Meshing实现:

方法1: 统一生成
- 定义多区域
- 一次生成流体+固体

方法2: 分别生成+拼接
- 流体域细网格
- 固体域粗网格
- Interface建立连接

8.3 自动化与脚本

8.3.1 为什么要自动化?

价值:

• ⚡ 批量处理设计变型
• 📈 参数化优化
• 🔄 可重复性
• 👥 团队标准化

8.3.2 Journal文件

什么是Journal?

• Fluent的脚本语言
• 记录所有操作
• 可自动重放

录制Journal:

File → Write → Start Journal
... 执行网格操作 ...
File → Write → Stop Journal

得到: mesh_script.jou文件

执行Journal:

命令行:
fluent -g -i mesh_script.jou

或GUI中:
File → Read → Journal

Journal示例:

; 读取几何
file/import/geometry "model.stp" yes

; 设置参数
mesh/sizing/global-max-size 10
mesh/sizing/curvature-normal-angle 12

; 生成表面网格
mesh/generate-surface-mesh

; 边界层设置
mesh/prism/first-height 0.001
mesh/prism/number-of-layers 10
mesh/prism/growth-rate 1.2

; 生成体网格
mesh/generate-volume-mesh

; 检查质量
mesh/quality/skewness

; 导出
file/write-mesh "output.msh" yes

8.3.3 Python脚本(高级)

使用Fluent的Python API:

import ansys.fluent.core as pyfluent

# 启动Fluent Meshing
meshing = pyfluent.launch_fluent(
    mode="meshing",
    precision="double",
    processor_count=8
)

# 导入几何
meshing.workflow.InitializeWorkflow(WorkflowType="Watertight Geometry")
meshing.workflow.ImportGeometry.Arguments.FileName = "model.step"
meshing.workflow.ImportGeometry.Execute()

# 生成表面网格
meshing.workflow.GenerateSurfaceMesh.Arguments.MaxSize = 10
meshing.workflow.GenerateSurfaceMesh.Execute()

# 边界层设置
bl = meshing.workflow.AddBoundaryLayer
bl.Arguments.FirstLayerHeight = 0.001
bl.Arguments.NumberOfLayers = 10
bl.Execute()

# 生成体网格
meshing.workflow.GenerateVolumeMesh.Execute()

# 质量检查
quality = meshing.mesh.quality
skewness = quality.cell_quality(metric="skewness")
print(f"Max Skewness: {skewness.maximum}")

# 导出
meshing.file.write_mesh("output.msh")

批处理多个模型:

import os

geometries = ["model_v1.step", "model_v2.step", "model_v3.step"]

for geom in geometries:
    meshing = launch_meshing()
    
    # 导入
    meshing.import_geometry(geom)
    
    # 网格生成流程
    generate_mesh(meshing)
    
    # 质量检查
    if check_quality(meshing):
        output = geom.replace(".step", ".msh")
        meshing.write_mesh(output)
        print(f"✅ {output} generated successfully")
    else:
        print(f"❌ {geom} quality check failed")
    
    meshing.exit()

8.4 计算效率优化

8.4.1 网格分区

目的: 并行计算加速

手动分区:

Mesh → Partition → Metis
- Number of Partitions: = CPU核心数
- Method: Metis 5

自动分区 (推荐):

Fluent求解器会自动分区
但网格阶段预分区可优化负载均衡

8.4.2 Adapted Mesh (适应性加密)

概念: 求解过程中动态调整网格密度

策略:

初始网格: 相对粗(快速初解)
    ↓
求解若干步
    ↓
基于梯度/误差加密
    ↓
继续求解至收敛

优势:

• ✅ 节省初始网格时间
• ✅ 自动识别关键区域
• ✅ 优化资源分配

Fluent实现:

Adapt → Gradient
- 选择变量: velocity, pressure等
- 阈值设置
- 执行加密

或

Adapt → Region
- 定义关键区域
- 自动加密

8.5 最佳实践检查清单

8.5.1 网格生成前

✅ 几何准备
   □ CAD清理完成
   □ 不需要的小特征移除
   □ 单位正确
   □ 尺度合理(不是μm当成m)

✅ 物理理解
   □ 明确流动特征
   □ 识别关键区域
   □ 确定湍流模型
   □ 估算雷诺数

✅ 策略规划
   □ 网格类型选择
   □ 尺寸初步估算
   □ 边界层需求明确
   □ 计算资源评估

8.5.2 网格生成中

✅ 参数合理性
   □ Min/Max Size比例合理(1/10~1/100)
   □ Growth Rate ≤ 1.3
   □ Curvature Angle 合适(10-15°)
   □ y+ 符合模型要求

✅ 边界层设置
   □ 第一层高度计算正确
   □ 层数充足(≥10)
   □ 总厚度覆盖边界层

✅ 局部控制
   □ 关键区域加密
   □ 次要区域适当粗化
   □ 过渡平滑

8.5.3 网格生成后

✅ 质量检查
   □ Skewness统计合格
   □ Orthogonal Quality合格
   □ 无负体积单元
   □ 边界层完整性确认

✅ 可视化检查
   □ 切面查看
   □ 高质量单元位置正确
   □ 差质量单元可接受或已修复

✅ 输出准备
   □ 边界类型正确命名
   □ 单元区域合理定义
   □ 文件格式选择(.msh, .cas等)

✅ 文档记录
   □ 网格参数记录
   □ 质量指标记录
   □ 特殊处理方法记录

8.5.4 求解前验证

✅ 在Fluent中
   □ Mesh Check通过
   □ 边界条件检查
   □ 参考值设置
   □ 初始化正常

✅ 初步计算
   □ 迭代50-100步
   □ 残差下降趋势正常
   □ 监控量物理合理

✅ 决策
   □ 继续求解 或
   □ 返回修改网格

---

第九章:常见问题FAQ

9.1 几何与导入问题

Q1: 导入CAD后几何非常小或非常大

A: 单位问题

解决方案:
1. 重新导入时选择正确单位
2. 或导入后缩放:
   Geometry → Scale → 输入比例因子
   
检查方法:
Display → Geometry → Measure → Distance
测量已知尺寸验证

Q2: 几何导入后有缺失或破损

A:

可能原因:
1. CAD文件本身有问题
2. 导出格式不合适
3. 转换精度丢失

解决方案:
1. 使用STEP格式(推荐,精度高)
2. 在CAD软件中先检查并修复
3. 导出时选择高精度选项
4. 使用Fluent的几何修复工具

Q3: “Non-manifold edges” 错误

A: 非流形边缘

含义: 一条边被超过2个面共享(拓扑错误)

解决:
1. CAD中修复拓扑
2. 或使用Watertight Geometry工作流自动修复
3. 检查:
   Geometry → Diagnostics → Non-manifold Edges
   显示并逐个修复

9.2 网格生成问题

Q4: 表面网格生成失败

A:

常见原因:
1. 几何间隙或重叠
2. Min Size过小
3. 内存不足

诊断:
查看错误信息:
"Failed to mesh face xxx" → 定位问题面

解决:
1. 增大Min Size
2. 简化该区域几何
3. 使用几何修复工具
4. 增加RAM或使用64位版本

Q5: 体积网格生成很慢或卡住

A:

可能原因:
1. 网格过密(单元数过多)
2. 边界层参数不合理
3. 狭窄间隙难处理

解决:
1. 粗化全局尺寸测试
2. 减少边界层层数
3. 设置Max Cell Length in Gap
4. 分步生成:
   - 先生成粗网格测试
   - 确认OK后再细化

Q6: 边界层生成不完整

A:

现象: 部分壁面缺失边界层

原因:
1. 表面网格质量差
2. 边界层参数过aggressive
3. 狭窄区域空间不足

解决:
1. 检查表面网格质量
2. 增加First Layer Height
3. 减少Number of Layers
4. 局部禁用边界层(特殊区域)

9.3 网格质量问题

Q7: Skewness很高(>0.9)如何处理?

A: 参考第七章,快速方案:

步骤:
1. 定位高偏斜单元(Display)
2. 识别位置(尖角?间隙?边界层?)
3. 针对性处理:
   - 尖角 → 局部加密或几何简化
   - 间隙 → Gap Sizing
   - 边界层 → 调整参数
4. 实在不行 → 局部接受差质量
   (如果<1%单元且不在关键区)

Q8: 出现负体积单元

A: 严重问题,必须解决

原因:
1. 节点位置错误
2. 单元翻转
3. 边界层穿透对面

解决:
1. 检查几何完整性
2. 减小边界层厚度
3. 增加Min Size
4. 最后方案: 删除并重新填充该区域

Q9: 网格质量显示很好但求解不收敛

A: 质量指标不能完全代表适用性

其他检查:
1. y+是否合适(需要求解后检查)
2. 网格分辨率是否足够
   - 关键特征是否捕捉
   - 流动结构是否分辨
3. 物理模型设置
   - 边界条件
   - 湍流模型
   - 求解器参数

建议:
进行网格独立性验证
对比不同密度网格的结果

9.4 效率与性能问题

Q10: 网格生成时间过长

A:

优化方法:
1. 使用更快的电脑(SSD, 多核CPU, 大内存)
2. 简化几何
3. 粗化初始网格
4. 分区域生成(大模型)
5. 使用默认参数(避免过多迭代)

合理预期:
百万级单元: 分钟级
千万级单元: 小时级

Q11: 网格文件过大

A:

减小方法:
1. 网格适当粗化
2. 移除不需要的区域
3. 使用压缩格式
4. 二进制格式(Binary)代替ASCII

注意:
过度粗化损失精度
需要平衡文件大小与质量

Q12: 电脑内存不够

A:

策略:
1. 分区域生成+合并
2. 使用2D或轴对称(如适用)
3. 粗化网格
4. 64位版本软件
5. 升级硬件(增加RAM)

临时解决:
释放其他程序内存
虚拟内存设置

9.5 特殊应用问题

Q13: 如何为LES生成网格?

A: LES对网格要求极高

要求:
1. y+ ≈ 1 (必须)
2. 流向和展向也需精细(等间距)
3. 网格各向同性较好
4. 单元数极大(10-100倍RANS)

策略:
1. 壁面: 精细边界层
2. 核心: 基本各向同性
3. ∆x ≈ ∆y ≈ ∆z (尽可能)
4. 考虑使用六面体网格

Q14: 自由液面(VOF)网格特殊要求?

A:

关键:
1. 穿过界面≥20层网格
2. 界面附近加密
3. 使用Adaptive Mesh Refinement

Fluent设置:
1. 初始网格较粗
2. 求解后根据VOF梯度自动加密
3. 迭代-加密-迭代循环

Q15: 多孔介质网格如何处理?

A:

简化方法(推荐):
1. 不对多孔内部建模
2. 定义为多孔介质区域
3. 使用粗网格
4. 在模型中设置阻力系数

详细方法(研究用):
1. 建模实际孔隙结构
2. 极精细网格
3. 直接求解
4. 计算成本高

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附录A:术语表

A.1 网格术语

术语	英文	解释
单元	Cell	网格基本单位,控制体
节点	Node/Vertex	单元顶点
面	Face	单元表面
边	Edge	单元边缘
壁面	Wall	固体边界
边界层	Boundary Layer	近壁粘性影响区域
棱柱层	Prism Layer	边界层网格,各向异性
偏斜度	Skewness	衡量单元扭曲程度
长宽比	Aspect Ratio	最长边/最短边
正交性	Orthogonality	网格正交程度

A.2 CFD术语

术语	英文	解释
y+	Y Plus	无量纲壁面距离
雷诺数	Reynolds Number	惯性力/粘性力比值
湍流模型	Turbulence Model	湍流封闭方程
残差	Residual	方程不平衡量
收敛	Convergence	解趋于稳定状态
流体域	Fluid Domain	流体占据的空间
入口	Inlet	流体进入边界
出口	Outlet	流体离开边界
对称面	Symmetry	对称边界条件
周期边界	Periodic	周期性边界条件

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附录B:快速参考

B.1 常用参数推荐值

表面网格参数

参数	粗网格	中等网格	精细网格
Max Size	L/20	L/50	L/100
Min Size	L/200	L/500	L/1000
Curvature Angle	15-18°	10-15°	5-10°
Growth Rate	1.2-1.3	1.2	1.1-1.15

L = 参考特征长度

边界层参数

湍流模型	y+目标	第一层高度估算	层数建议
k-ε标准	30-300	0.001×L	5-8
k-ω SST	<1	0.0001×L	10-15
LES	≈1	0.0001×L	15-20

增长率: 1.1-1.2

B.2 质量标准速查

指标	优秀	良好	可接受	差
Skewness	<0.25	0.25-0.5	0.5-0.8	>0.8
Orthogonal Quality	>0.95	0.7-0.95	0.2-0.7	<0.2
Aspect Ratio (核心)	<5	5-20	20-100	>100
Min Volume	>0	>0	>0	≤0(❌)

B.3 快捷键

操作	快捷键
旋转视图	鼠标中键拖动
平移视图	Shift+鼠标中键
缩放	鼠标滚轮
框选缩放	Ctrl+鼠标右键框选
适应窗口	F键
标准视图	Ctrl+数字键1-6

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附录C:故障排除清单

快速诊断流程

问题: 网格生成失败
→ 检查几何完整性
  → 有间隙/重叠? → 几何修复
  → 有尖角/薄壁? → 简化或特殊处理
  → 几何OK? → 检查参数设置
      → Min Size太小? → 增大
      → 边界层太厚? → 调整参数

问题: 网格质量差
→ 查看质量报告
  → 问题在尖角? → 局部加密或简化
  → 问题在边界层? → 调整BL参数
  → 问题在核心区? → 调整全局尺寸

问题: 求解不收敛
→ 检查网格质量 → 合格?
  → 是 → 检查物理设置
      → y+合适? 
      → 网格分辨率够?
      → 边界条件对?
  → 否 → 修复网格质量

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总结与展望

关键要点回顾

1. 网格生成不是目的,而是手段

• 目标: 获得可靠的CFD结果
• 平衡: 质量-效率-成本

2. 自动化≠无脑

• 理解原理比操作按钮重要
• 参数设置需要物理判断
• 质量检查必不可少

3. 实践出真知

• 多尝试不同策略
• 积累经验案例库
• 记录教训与心得

4. 持续学习

• 新版本新功能
• 前沿方法(如ML辅助网格生成)
• 跨学科知识

进阶方向

初级 → 中级:
- 熟练使用自动工具
- 理解参数意义
- 解决常见问题

中级 → 高级:
- 优化策略制定
- 特殊应用处理
- 自动化脚本开发

高级 → 专家:
- 新方法研究
- 最佳实践总结
- 团队培训指导