網(wǎng)格的幾點誤區(qū)，你中坑了沒？

盡管 現(xiàn)在 FEA及CFD中出現(xiàn)了一些無網(wǎng)格軟件,然而對于大多數(shù)CAE使用者來說,網(wǎng)格劃分依舊是一個非常重要的任務。 怎么強調(diào)生成高質(zhì)量的網(wǎng)格的重要性都不過算過分。

然而“高質(zhì)量的網(wǎng)格”或者說“足夠好的網(wǎng)格”,該如何定義呢?僅僅依靠網(wǎng)格生成軟件輸出的網(wǎng)格質(zhì)量報告來評價么?當然分析網(wǎng)格生成軟件輸出的網(wǎng)格質(zhì)量報告是網(wǎng)格劃分過程中必不可少的一部分,但是僅靠軟件輸出的這些關(guān)于網(wǎng)格質(zhì)量的報告是不夠的,使用者還應當結(jié)合自己的物理問題,才能對網(wǎng)格是否足夠好作出準確判斷。

很不幸,人們對于“好網(wǎng)格”存在誤解。如今在工程專業(yè)課堂中已經(jīng)很難找到網(wǎng)格劃分方面的課程了,網(wǎng)格劃分的數(shù)值算法在大多數(shù)的工程專業(yè)中也都變成選修課了。因此,新一代的CAE使用者對于“CAE系統(tǒng)中網(wǎng)格生成器是如何工作的”缺乏認識就不足為奇了。

下面是關(guān)于“好網(wǎng)格”的一些認識誤區(qū)。

如今,越來越多的CAE使用者是從設(shè)計師轉(zhuǎn)崗或兼職而來,他們通常都接受了良好的CAD培訓,更傾向于分析所有的幾何細節(jié)。他們相信細節(jié)越多意味著更真實。

這種想法是錯誤的,在更多的情況下,好的網(wǎng)格應該是能更好的反映物理本質(zhì),而不是完全貼合CAD模型。

CAE仿真的目的是獲取計算對象上的物理量分布,如應力、應變、位移、速度、壓力等。CAD模型僅僅只是物理對象的簡單近似,其中包含了大量與分析不相關(guān)的細節(jié),這些細節(jié)對于計算分析準確性貢獻很小,卻會極大的增加計算開銷。因此,了解系統(tǒng)中的物理模型至關(guān)重要,好網(wǎng)格應當基于物理模型并對CAD模型進行簡化。

總結(jié)來說,就是:只有當對自己系統(tǒng)中的物理模型非常了解,才有可能生成好的網(wǎng)格。

我們常常能看到很多CAE使用者為獲得高質(zhì)量網(wǎng)格,花費大量時間和精力在改變網(wǎng)格尺寸、分解幾何及簡化幾何等方面,他們仔細地檢查網(wǎng)格劃分軟件中關(guān)于網(wǎng)格質(zhì)量的輸出報告并對網(wǎng)格劃分過程進行精細的控制。
這當然是很有必要的,但是過猶不及,因為好的網(wǎng)格并不一直都是好網(wǎng)格。網(wǎng)格好與壞取決于要模擬的物理問題。

例如,當你劃分了一個非常好的網(wǎng)格,能夠完美的捕捉翼型表面的流動,并且能準確的計算所有的力。但是如果當計算條件發(fā)生了改變,比如說流動攻角從0°變成了45°,之前好的網(wǎng)格還是好網(wǎng)格么?很有可能就不是了。

一個好的網(wǎng)格總是與具體的物理問題相關(guān)聯(lián)。當計算條件發(fā)生改變(如改變邊界條件或載荷條件,改變分析類型或流動模型)后,好的網(wǎng)格可能會變?yōu)椴缓玫木W(wǎng)格,雖然幾何形狀并沒有發(fā)生任何改變。

許多老的教科書會告訴你六面體(四邊形)網(wǎng)格要比四面體(三角形)網(wǎng)格更好,并且會告訴你使用四面體或三角形網(wǎng)格會產(chǎn)生多么大的數(shù)值誤差。特別是在15或20年前,這可能是事實。
歷史上,人們更喜歡六面體網(wǎng)格,因為:

• 在當時只有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以用于大多數(shù)CFD求解器

• 減少網(wǎng)格數(shù)量,節(jié)省大量的內(nèi)存和CPU時間

• 當時非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格求解器技術(shù)不成熟

隨著求解器技術(shù)的發(fā)展,對于大多數(shù)問題,大多數(shù)商業(yè)FEA及CFD程序采用四面體網(wǎng)格也能得到六面體網(wǎng)格類似的計算結(jié)果。當然,四面體網(wǎng)格通常需要更多的計算資源,但是這也很容易地被在網(wǎng)格生成環(huán)節(jié)所節(jié)省的時間相抵消。對于大多數(shù)工程問題,六面體網(wǎng)格的精度優(yōu)勢實際上已經(jīng)不再存在了。

對于一些特殊的應用,如風力透平,泵或飛機翼型,仍然優(yōu)先使用六面體網(wǎng)格。原因在于:

• 行業(yè)慣例

• 被理解透徹的物理背景(大多數(shù)使用者都知道如何對齊網(wǎng)格)

• 對于此類幾何,有特殊的工具為其生成六面體網(wǎng)格

然而對于大多數(shù)FEA及CFD使用者來說,如果幾何表面稍微復雜,在六面體網(wǎng)格生成上花費時間是一種浪費。大多數(shù)情況下,計算結(jié)果并不會更好。而求解計算節(jié)省的時間甚至還不如網(wǎng)格生成花費的時間。

軟件供應商為了證明自己的網(wǎng)格劃分軟件很高端(通常價格也很高端),他們會告訴你他們的軟件允許你進行各種手動控制。潛臺詞就是說只有手動控制才能生成更好的網(wǎng)格。

當然對于銷售人員來說,好的網(wǎng)格需要手動控制。但是對于工程師來講,你需要知道這是一種誤導。好的網(wǎng)格劃分軟件應該能夠智能的分析底層幾何:計算曲率、找到溝槽、找到小的特征、找到硬的邊特征、找到尖銳的夾角等。并能更具這些分析得到的數(shù)據(jù)采用更合適的網(wǎng)格劃分參數(shù)。

這些都是自動網(wǎng)格劃分應該做到的。對于大多數(shù)用戶來說,軟件可以收集更多的底層幾何信息。因此,相對于大多數(shù)使用者來說,軟件應該能夠設(shè)置更優(yōu)的參數(shù)以獲取更高質(zhì)量的網(wǎng)格。因為軟件能夠獲取更多的信息。

當然對于每天使用網(wǎng)格劃分軟件,并且長時間處理類似的幾何的高級用戶來說,情況又有些不同。這些用戶對于要求解問題的物理背景了解非常透徹,但是網(wǎng)格劃分軟件卻做不到這一點。然而這樣的高級用戶數(shù)量是越來越少了。

通常對于網(wǎng)格質(zhì)量,除非你使用的是非常糟糕的網(wǎng)格劃分軟件,否則自動網(wǎng)格劃分能夠比人做得更好。手動控制是為那些對問題背后的物理原理了解非常清楚的人準備的。

現(xiàn)如今,HPC資源很容易獲得,即便是一個學生也可能嘗試利用1000~2000萬網(wǎng)格求解CFD問題。在大多數(shù)CAE使用者的眼中,網(wǎng)格數(shù)量多意味著高保真度。

但是這并不是真的,因為一些物理問題必須建立模型。例如在CFD中,如果要使用標準壁面函數(shù),則粘性子層內(nèi)的任何節(jié)點都會使得壁面函數(shù)失效,這不僅浪費計算資源,還有可能造成非物理解。即使使用LES,過度細密的網(wǎng)格也可能導致更大的誤差以及非物理解。

細密的網(wǎng)格并不意味著就是好的網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的目的是在離散的位置獲得解,良好的網(wǎng)格應該服務于計算模型,只要計算結(jié)果符合物理事實且足夠準確,網(wǎng)格就是好的網(wǎng)格。

另一個關(guān)于此誤解的例子。大多數(shù)用戶總數(shù)喜歡使用完整的3D模型,在他們眼中,全3D模型是最符合現(xiàn)實的。然而如果問題是對稱的,使用部分幾何會得到更好的計算結(jié)果,因為對稱條件是強制執(zhí)行的。如果問題是軸對稱的,則2D結(jié)果可能比大多數(shù)3D結(jié)果更準確。然而,新一代的CAE使用者并沒有充足的時間了解要模擬的系統(tǒng)背后的物理原理,他們很難對模型進行簡化。因此,CAE計算規(guī)模沒必要的越來越大也就不奇怪了。

目前,CAE依舊依賴于網(wǎng)格。好的網(wǎng)格應該:

• 能夠求解要研究的物理問題

• 具有合理的質(zhì)量,使求解器不會掛掉

• 基于物理原理進行幾何簡化

• 網(wǎng)格好與壞要看具體的問題而定

• 滿足項目需求