Fluent 仿真中，我们是否应该使用Interface交界面？

本文摘要（由AI生成）：

本文主要讨论了非共节点的交界面（Interface）在流体仿真中的使用争议。Interface两侧的网格不一致，甚至可能出现缝隙与重叠，因此其精度与使用范围存在一定争议。本文从一个案例的角度，对这个问题进行了简略的讨论。

我们常见的Interface边界全称是“Non-conformal  Interface”，翻译过来就是“非共节点的交界面”。这一类边界在有些Fluent流体仿真算例中会成对的出现，也有一部分流体仿真工程师会刻意的使用这些边界，来完成一些特别的仿真任务。由于 Interface 两侧的网格并不一致，甚至还有可能出现缝隙与重叠，因此他的精度与使用范围还是存在一定争议的。那么，这些“争议“的 Interface 面究竟应不应该出现在我们的仿真算例之中呢？ Interface 和完全共节点的边界 Interior 又有多大的求解差别呢？本文尝试从一个案例的角度，对这个问题进行一个简略的讨论。

本文的目的并不是要否定别人的观点、也并不希望一定能够说服大家，而仅仅是从某些特定的角度，提供一些信息，希望能够引发大家的思考。

★  Interface 从哪里来？

大部分流体仿真工程师在最早接触 Fluent 的时候，都认识了他的好基友 Gambit 前处理工具。

Gambit 在网格划分的过程中，通常采用“分割计算区域”的方法进行复杂任务的分解：首先将复杂的流体区域几何进行分割，随后再分别划分各自的网格，最后再合并输出一个网格文件。

这种方法划分网格思路明确，不太需要总体的把控，操作简单，可控性强，适合于流体仿真的初学者。因此，一部分工程师就慢慢得扎根在这种思路之中，以至于后期即使更换了网格划分的软件，但仍旧离不开这种“切割“的网格划分思想。

图1 Gambit典型的“分区域”网格划分

当然，这种方法也具备相应的缺点，那就是不同的区域之间的网格在公共面的位置是不一致，或者说分割后的区域间很难画成共节点的网格。因此，通过 Gambit 划分的网格往往存在着大量的 Interface。这一类边界（面）几何位置相同、网格节点却不一样。当然，强大的 Fluent 软件是具备处理这一类“几何位置相同、网格节点不一样“ Interface 的能力的，这也给我们流体仿真的进程，提供了很大的便利。

 图2 几何的拓扑类型

如上图所示，共节点的网格会在划分之前将两侧的几何进行布尔处理，从而保证在重合的区域仅存在单独的一个面；非共形网格则不改变两侧几何的形状，重合面两侧的几何，面积和形状都可以不一致。

★  是否应该使用 Interface ？

存在即是合理，Interface 既然存在，肯定是有使用的价值的。但是对于大多数的问题，建议尽量不要使用 Interface，原因如下：

●  Interface 会降低计算效率

●  Interface 会降低计算精度

当然，如果仿真涉及到边界的相对运动，那还是必须要使用 Interface 的！

★  Interface 测试算例介绍

那么 Interface 究竟是如何影响计算效率与精度的呢？接下来通过一个测试案例进行了解。

该测试案例使用最为简单的三通管换热案例，熟悉这个案例的工程师应该都了解在 Interface 面的位置处会产生一个回流，所以这个区域的流场是相对最为复杂的。在复杂的位置放置 Interface 面，并测试其产生的影响，则可以认为该影响是最大的。

测试案例采用三套网格进行仿真分析：①完全共节点网格；② Interface 网格两侧网格尺寸相近；③ Interface 网格两侧网格尺寸差别较大。

图3 三通管换热案例

图4 共节点网格与 Interface 网格（大尺寸网格差别）

图5 小尺寸网格差别的 Interface ，可以发现仅有细微的节点位移

图6  Interface 位置的面网格情况

●  Interface 对计算效率的影响

仿真的时间如下所示。

图7 算例仿真时间情况

由于网格数量的不同，仿真的求解时间实际上需要做一个等效的变换。通过表格，我们可以发现包含 Interface 的网格求解效率是要偏低的。当然，我们可以简单的认为，降低的的求解效率实际上是和 Interface 内包含的面网格数量相关的。对于本例来讲，由于其 Interface 面积相对较小，因此效率的降低也很小，大概在10%之内。

●  Interface 对计算精度的影响

首先对对称面上的温度云图分布进行对比。

图8 算例对比情况（上图共节点，下图小尺寸差别）

图9 算例对比情况（上图共节点，下图大尺寸差别）

可以发现，尺寸相当的 Interface 面对计算结果影响很小；尺寸相差很大时，云图则出现了明显的断层。（当然，CFD-Post 进行云图显示的时候，实际上是对离散的温度值进行了过渡性渲染，云图断层本身并没有看上去那么危险。）可以认为从定性分析的角度来讲，大尺寸差别的 Interface 要表现的更差一些。

图10 算例对比情况（左图共节点，右图小尺寸差别）

图11 算例对比情况（左图共节点，右图大尺寸差别）

上面两张图片则对比了两种 Interface 网格和共节点网格结果的差异，可以看到对称面温度差值的上下限还是有一定区别的，分别是 -1.8~1.9 K 和 -1.6~1.5 K ，简单的判断差别在20%左右。

最后是定量分析的结果对比。三通管换热案例，主要关注的就是两个结果：压降和温度混合情况，因此我们对比了压降情况和出口的温度数据，详细结果如下表所示。 

当然，由于 Fluent 仿真是迭代求解，因此不可能说共节点网格的结果就一定比包含 Interface 的网格更准。因此，我们还是通过求解结果的差别来进行分析。简单的讲，定量分析的结果和上面的结论类似：Interface 两侧网格尺寸相当的计算结果和共节点的结果非常接近；两侧网格尺寸相差过大，则计算结果和共节点的网格差别也会相对大一些。（当然，对于本算例，这些差别都非常的小，在1%之内。）

单从本测试案例来讲，可以初步判断： Interface 两侧网格尺寸差别过大，会影响计算精度和求解效率；但影响程度相对较小，以至于可以忽略这些影响。因此，当扩展到其他的案例时，我们也可以初步的估计： Interface 会对仿真有一些负面影响；但对于包含Interface的网格，只要其交界面面积不特别大、两侧网格尺寸差别不特别大，都还是处在可以接受的范围。

★  我们应该怎么做才能避免出现 Interface ？

Interface 属于网格的范畴，因此还是要在前处理做足功课，来避免 Interface 的出现。针对不同的前处理软件，对应的方法如下表所示。

★  Interface 小结

●  当需要计算网格运动（滑移网格、动网格）的时候，必须采用 Interface 网格。

●  其他非运动情况，不建议使用 Interface。

※ 影响计算效率

※ 影响计算精度

●  当必须要使用 Interface 时，两侧的网格尺寸应该相近（局部 sizing 方式控制）。

※ 否则结果容易出现断层（定性分析）

●  依托 SCDM/DM 几何中的共享拓扑技术，使用 Workbench Meshing 可以轻易、快速的划分共节点网格（推荐四面体）。

●  如果需要混合网格，建议学习网格拼接技术，以达到共节点的目的。

※ ICEM CFD 中的 Merge Volume Mesh 功能；

※ Fluent Meshing 中的 Stich / Remesh Overlap Zone 功能；

※ 两侧网格尺寸必须相近，且拼接通常包含金字塔网格，网格质量需要进一步调整。

作者：张杨 流体高级工程师 仿真秀专栏作者

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