为什么矩形自适应网格是先进技术？

同步 CFD 是 CFD 中一类新的工具，它帮助结构工程师在三维结构 CAD 模型中仿真现今产品的流体流动和传热情况。对于三维仿真和分析而言，最重要的步骤就是网格和创建有效的网格系统。本文讨论了为什么矩形自适应网格是先进技术，以及如何有效为新设计选择网格，从而极大降低精确分析所需的时间，提高产品设计效率。

1网格的需要和选择
1.1 为何首先需要一个网格系统？

在进行任何 CFD 分析之前，考虑所需的网格系统是非常有必要的。

■ 所有的 CFD 分析都是建立在控制流体动力学现象的微分方程之上，这些微分方程有 Navier－Stokes 方程、能量守恒方程等。

■ 众所周知，这些微分方程是无法获得解析解的。（除非进行大量的简化）

■ 因此，只有采用“离散化”才能进行求解。

■ 通过在整个分析区域上覆盖一个虚拟的网格系统的方式，将所考虑的区域划分成许多小的体积或单元格。

€€ 对小体积内和小体积之间所考虑特性的变量（速度、压力和温度等）进行假设。

€€因此可以推导得出这些微分控制方程的近似形式（也就是所谓的有限体积法），只要这个体积足够小，这一体积内的控制方程就足够有效，从而在整个区域内的控制方程也足够有效。

€€最后通过迭代的方式求解这些代数方程，从而获得相应的结果。

很明显：

■ 网格划分是最终获得控制微分方程合理精确解的一种方法。

■ 所选择的网格大小和细密程度对求解的精确度有很大影响。

■ 网格系统类型的选择，网格的形状和排列可以是任意的。只要定义的网格能方便可靠的获取精确结果，这一网格就是良好的网格。

然而，这一“只要”字眼是非常重要的限定。经验表明，对于任何实际应用，为 CFD 计算选择网格系统时，必须考虑以下影响因数：

■ 定义问题和以后做相应修改所需的时间。

■ 易于获得良好、精确结果。

■ 解的强壮性和可靠性

■ 计算速度和存储

这就是为什么 CFD 计算网格系统的选择是一项重要的工作。

1.2 网格系统如何进行选择？

在用于 CFD 分析的网格系统选择时有两个非常重要的方面：

(1)网格的形状，主要的选择有：

■ 笛卡儿€€€€立方体网格，并且网格面与笛卡儿坐标系中的 X、Y、Z 轴相平行。

■ 六面体€€€€六面体网格，是笛卡儿网格的某种扭曲，可以是“笛卡儿网格拓补”（也就是类似笛卡儿网格，但是网格被扭曲）或者“适体网格”（通过扭曲笛卡儿网格，使其很好的与物体的表面贴合）

■ 四面体€€€€四个面的网格，例如三棱锥形网格

(2)网格的排列，主要的选择有：

■ 结构化网格€€€€网格中节点排列有序，邻点间的关系明确。

■ 非结构化网格€€€€节点位置无法用一个固定的法则予以有序的命名。

■ 部分非结构化网格（partially unstructured）€€€€在某一区域内结构化网格与其它结构化网格以某种方式结合的网格。并非所有的网格形状与网格排列都具有现实意义。最为常用的网格如下：

■ 笛卡儿€€€€无论是结构化还是部分结构化都被广泛的应用到 CFD 的诸多领域。

■ 六面体网格€€€€结构化和部分结构化（经常用于“适体”）常用于“空气动力学”方面的应用（燃气轮机叶片、机翼、流线型物体），这主要是因为可以将网格很好的贴合在物体表面。

■ 完全非结构化六面体和四面体网格€€€€最初被用于有限元（而不是有限体积法）的 CFD 分析，现在被广泛的用于有限体积法，通常是棱柱或棱锥形式。

这些网格如后一页所示：

下面利用笛卡儿网格对正交网格进行进一步的说明。严格来说，许多对笛卡儿网格所作的注解也可以应用于“正交”网格，那就是网格线与正交坐标轴方向对齐，其中坐标轴互相成 90 度角。在实际使用中，笛卡儿网格最常用见的正交网格。

基于圆柱坐标系的正交网格也比较常见，但是使用并不普遍。此外，笛卡儿网格比其它非正交有更多的优势，我们会在以后的章节中做进一步的讨论。

这一白皮书中考虑了诸多可以选择的网格形状和排列。但主要集中在第一和第三两种网格。也就是笛卡儿网格和完全非结构化（六面体和四面体）网格。第二种网格（结构化四面体－适体网格）是一种介于以上两者之间的方法，仅仅适用于空气动力学的应用。

2影响网格系统选择的因数和需要考虑的事项
2.1 网格形状对于网格质量的影响

为什么，笛卡儿网格形状成为许多应用场合的首选？

■ 可以方便的在笛卡儿参考系中对控制方程进行推导和明确的表达。

■ 求解的速度分量几乎总是和笛卡儿参考系坐标方向对齐。