网格独立性验证的基本思路及操作流程

网格独立性验证是 CFD 模拟中至关重要的一步，其确保了数值结果不依赖于网格的粗细程度，从而提高了仿真结果的可信度。网格独立性的核心思想是：通过逐渐加密网格，观察关键结果参数的变化趋势，当结果参数的变化趋于稳定或在可接受的范围内波动时，则认为网格达到独立性。

1 基本思路

1. 确定关键结果参数： 首先需要确定对你研究问题最重要的物理量作为网格独立性验证的指标。例如：

• 压力损失
• 传热系数
• 速度
• 温度
• 湍动能
• 曳力/升力系数
• 出口流量
• 某特定位置或截面的物理量（如中心线速度、壁面温度等）
• ...
• 这些参数应能反映你所关注的物理现象，并且对网格密度敏感。

2. 创建不同密度的网格： 基于初始的基准网格，生成一系列不同密度的网格。

   可以通过全局加密（整体缩小网格尺寸）或局部加密（在关键区域进行加密）的方式。

• 全局加密： 通常建议按照一定比例逐渐减小网格尺寸，例如每次将网格尺寸缩小为原来的 0.7-0.8 倍（即网格数量增加约 1.5-2 倍）。

• 局部加密：  在流场变化剧烈或重要的区域，如边界层、激波、分离区、尾迹区等，进行局部加密。可以使用 Fluent 中的 Adapt 功能或 Size Function 功能来实现。

• 网格质量： 确保每套网格的质量都满足要求，例如 Aspect Ratio, Skewness, Orthogonal Quality 等指标都应在可接受的范围内。

3. 进行数值模拟： 使用相同的模型设置（例如湍流模型、边界条件、求解器设置等）在每套网格上进行数值模拟，直至收敛。

4. 结果分析： 提取每套网格计算得到的关键结果参数，并进行比较分析。

   将结果参数与网格数量（或特征网格尺寸）的关系用表格或图形（例如折线图）直观地展示出来。观察结果参数随网格数量增加的变化趋势：

• 收敛趋势： 当网格数量增加到一定程度后，结果参数的变化逐渐减小，趋于稳定，说明网格达到了独立性。
• 振荡趋势： 有时结果参数可能会在某个范围内小幅振荡，此时需要判断振荡幅度是否在可接受的范围内。
• 发散趋势： 如果结果参数随网格数量增加持续增大或减小，没有收敛的趋势，则说明网格尚未达到独立性，需要进一步加密网格。

5. 确定合适的网格： 选择能够满足网格独立性要求的、且计算成本相对较低的网格作为最终的计算网格。

2 操作步骤 (以 ANSYS 2020为例)：

1. 生成初始网格:
• 使用 Workbench 中的 Meshing 组件或其他网格划分软件生成初始的基准网格。
• 检查网格质量，确保满足要求。
2. 生成不同密度的网格 (以ANSYS Mesh为例):
• 在 Outline 视图中，选中 Mesh。
• 在 Details 视图中找到 Sizing -> Global Sizing -> Relevance Center，将其设置为 Fine。
• 调整 Sizing -> Global Sizing -> Relevance 的值来控制网格密度(值越大，网格越密，默认为0，范围为-100到100)。
• 多次改变Relevance值，生成多套不同网格，并导出为 .msh 文件。
3. 进行数值模拟：
• 将每套网格读入 Fluent，并设置相同的物理模型、边界条件、求解器设置等。
• 进行计算，直至收敛。
• 建议： 为每套网格的 case 文件和 data 文件分别命名，例如 case_1.cas, data_1.dat, case_2.cas, data_2.dat ... 以便区分。
4. 提取结果参数：
• 使用 Reports -> Surface Integrals 或 Results -> Plots 等功能，提取关注的关键结果参数。例如，要计算出口的总压平均值，可以使用 Reports -> Surface Integrals -> Area-Weighted Average -> Pressure -> Total Pressure，选择出口面，点击 Compute。
• 将每个网格的结果记录下来。
5. 结果分析：
• 使用 Excel 或 Origin 等软件，将结果参数与网格数量（或特征网格尺寸）的关系用表格或图形展示出来。
• 观察结果参数随网格数量增加的变化趋势，判断网格是否达到独立性。
6. 选择合适的网格：
• 根据结果分析，选择合适的网格作为最终的计算网格。

3 注意事项

• 计算资源： 网格独立性验证需要进行多次模拟，计算量较大，需要考虑计算资源的限制。
• 收敛标准： 确保每次模拟都达到相同的收敛标准。
• 模型的影响： 网格独立性验证的结果可能会受到湍流模型等因素的影响，因此在改变模型后，可能需要重新进行网格独立性验证。
• 非唯一性： 网格独立性是一个相对的概念，不同的应用场景和精度要求可能会导致不同的网格独立性判断标准。
• 经验积累： 通过不断的实践，积累经验，可以更好地掌握网格独立性验证的方法和技巧。

（完）