Fluent Meshing ——流体工程师进阶的必备工具

本文摘要（由AI生成）：

ANSYS Fluent Meshing 是一款高级流体仿真前处理工具，具备从几何到求解的完整工作流程。它具备多种强大稳定的网格处理技术，如超级高效的网格划分速度、丰富的网格后处理技术以及基于马赛克技术的 Poly-Hexcore 网格。Fluent Meshing 与 Fluent 求解器契合度最高，是提升流体工程师工作效率的必备工具。然而，由于使用难度大、门槛高、资料少以及可替代工具多等原因，Fluent Meshing 并未得到广泛应用。

ANSYS Fluent Meshing 是一款高级流体仿真前处理工具，具备从几何到求解的完整工作流程。其前身是Tgrid非结构体网格生成工具，并在最近的几个版本新增了Fluent风格的操作界面与几何导入技术，目前已经成为ANSYS主推的流体前处理软件。

图1 ANSYS Fluent Meshing前处理工具

一、Fluent Meshing有哪些亮点

作为高级的网格划分工具，如果没有几招“看家本例”来处理复杂的网格问题，那肯定是无法让人信服的，也就不能体现自己“高级”的身份和定位。当然，Fluent Meshing具备多种强大稳定的网格处理技术，是一定不会让大家失望的，下面就通过几个典型的特色做以介绍。

1.超级“高效”的网格划分速度

随着计算机的发展，越来越多的流体仿真问题需要我们使用更为复杂与细致的几何，对应的网格数量也越来越大。目前，千万级的网格已经成为大多数产品流体仿真工作的一个常用量级，为此，我们需要更快的网格划分效率来支持工作的进度要求。

Fluent Meshing具备极为高效的体网格生成技术。测试案例显示，在如下表所示的单机工作站上，Fluent Meshing生成5亿四面体网格所需的时间仅有75分钟，对应的网格文件（约29 Gb）输出时间也不超过11分钟。相比之下，其他流体工具在网格划分的速度上，就远远的落在后面了。

图2 ANSYS 流体网格划分效率对比

实际上，对于相对复杂的几何外形，Fluent Meshing生成1000万体网格也只需2-3分钟，而且稳定性好，内存利用率高，输出文件速度快，是提升流体工程师工作效率的必备工具。

2.丰富的网格 “后”处理技术

作为一名Fluent流体工程师，可以说我们对*.msh（或*.cas）格式的网格文件是又爱又恨。爱它的原因自不用多说，它是Fluent求解器最常用的网格格式；恨他的原因也不在少数，尤其是当我们需要修改网格、但又不是自己划分的时候。如果没有Fluent Meshing，那么我们拿这些*.msh格式的网格文件是没有太多办法的，想修改无从下手，划分网格的原始几何和文件也无法找到。

当然，随着Fluent Meshing 的不断更新与发展，这个问题已经得到了很好的解决。Fluent Meshing把*.msh作为可编辑的格式，而且是唯一的；同时，还可以对读入的*.msh文件进行有针对性的修改，无论是六面体还是四面体，都能够在符合条件的范围内进行各种需求的处理。常见的网格修改包括：

• 体网格质量（skewness）提升

• 局部加密

• 网格边界位置调整

• 体网格的复 制、缩放与旋转

• 同名边界的准确分离

• 对已有的体网格新增边界层

• 多区域网格共节点拼接

• ……

图3 为已有体网格新增边界层

图4 六面体网格与四面体网格的共节点拼接

当然，除了上面针对实际工中的一些常见需求之外，Fluent Meshing具备的其他高级技术（如诊断、改进、除错等）也可以随时应用在读入的网格之中，这些和从几何导入进行划分的工作是没有太多区别的。

3.基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore网格

在流体仿真中，六面体与四面体网格在仿真各个环节的争论一直存在，但还是基本可以达成一个共识：那就是“六面体在求解过程中要优于四面体（虽然划分更加困难）。”为此，Fluent工程师更希望在计算域中尽可能多的使用六面体网格，这样既能有效减少网格数量，同时还有可能降低伪扩散带来的影响。

Fluent Meshing在最新的版本中（2019 R1）新增了基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore体网格生成方法，能够使六面体网格与多面体网格实现共节点连接（无interface面），而且不需要任何的额外手动网格设定（对比传统六面体网格划分），从而在保证工作完全自动化的状态下，提升提网格中六面体的数量，以达到提升求解效率与精度的目的。

图5 基于“马赛克”技术的Poly-Hexcore体网格

同时，该马赛克技术还支持边界层网格的划分，因此可以实现壁面附近的层状Poly网格+过渡区域的纯Poly网格+核心区域的六面体网格进行计算区域填充的状态，从而进一步提升网格整体质量，并有效降低网格总体数量与求解时间。

图6 带边界层的Poly-Hexcore体网格

当然，除了以上的亮点之外，Fluent Meshing也具备完整全面的前处理技术，如：保形网格重划分、包裹技术、综合诊断工具、网格间的布尔运算等等。这些也都是在实际的工作中非常便捷和常用的，限于篇幅的关系就不展开讲解了。

二、为何Fluent Meshing如此低调

相信很多人都看过金庸先生的《天龙八部》，里面有一个人物被大家称为“扫地僧“。此人武功高强、为人低调、而且深藏不露，给读者留下了深刻的印象。如果把（几年前的）Fluent Meshing比作网格中的“武林高手”，那么“扫地僧“则是最为恰当不过的角色了：既有强大的前处理功能，又低调内敛，不被大家所熟悉（当然，作为一款软件太过低调可能也不是什么好事）。

图7 香港TVB电视剧《天龙八部》中的扫地僧

1.操作界面和工作流程有些“另类”

对于Fluent Meshing在R14.5之前的版本（包括更早的Tgrid版本）来讲，几乎只有个别的工程师才能够熟练使用这个软件进行网格划分工作，原因很简单，就是软件的操作界面不是很“友好“。在早期的版本中，很多功能键并没有对应的图标和GUI，只能通过键盘来进行相应的操作，这就要求工程师必须在学习软件之前先把所有的快捷键背熟。显然，这种设定使无法受到流体工程师们不会欢迎这样一种奇怪的要求，于是纷纷跑去投奔其他的软件（如Gambit 、ICEM等）的怀抱了。

图8 “蹩脚”的Tgrid 操作界面

当然，随着版本的更迭，Fluent Meshing的操作界面目前已经有了巨大的改善，对于当前的版本来讲，不依靠快捷键的支持也可以完成整个工作流程。

图9 繁琐复杂的快捷键

除了界面的难以适应之外，Fluent Meshing进行前处理工作的流程也是相对“另类“一些的。不少工程师在初次接触软件的时候，发现连第一步“导入几何”都难以完成，更别提后面的网格诊断、除错、优化和体网格生成了。这也是之前版本中Fluent Meshing比较难的表现之一：缺乏统一明确的工作流程引导，需要用户自行积累经验才能在数目繁多的操作选项中找到自己所需要的功能。

为了解决这个问题，Fluent Meshing在最新的版本2019 R1中新增了导向式工作流，可以引导用户按照规定的步骤完成前处理工作。

图10 新版本中导向式工作流

2.难度大、门槛高导致用户少、资料少

由于软件的使用难度过大，各位民间的流体工程师又无法获得官方的技术支持，因此能够分享出来的软件资料就少之又少；资料少又会造成后续工程师学习难度的进一步增大，从而导致用户流失。最终，再不断的恶性循环中，优质的软件却始终无法得到广泛的应用，一直沉默在井底。当然，官方对Fluent Meshing软件推广的力度也是不够的，尤其是在五年以前，那个时候ANSYS的最爱还是ICEM CFD。

3.可替代工具多

主流的Fluent 前处理工具主要包括Gambit 、ICEM CFD和 Workbench Meshing，这些软件上手容易，资料多，功能也相对完善。有了这些软件作为选择，自然就没什么人去啃Tgrid这种“硬骨头”了。当然，还有Pointwise、Hypermesh、Ansa这些更为强大与全面的工具，他们也可以处理流体网格，能够很好的被Fluent 求解器所支持。这些也都是Fluent Meshing“为人低调”的原因之一。

图11 Fluent的前处理工具合影

4.技术上的限制

Fluent Meshing虽然强大，但也不是万能的。无法处理的问题主要包括以下几种情况：

l  不能划分贴体的纯六面体（hex）网格

l  不能修改四边形（quad）的表面网格

l  不能处理二维（2d）仿真的网格cvfgrt

l  不能处理已有的多面体（polyhedral 或cutcell）网格

而且，Fluent Meshing在很多操作之后不能撤销，这也是技术上比较大的一个限制。

三、为什么我们要会使用Fluent Meshing

1.与Fluent求解器契合度最高的前处理工具

单从名称我们就可以发现，这款软件就是与Fluent同出一脉的。而且，随着版本的不断更新，Fluent现在已经可以实现在单独软件界面下完成整个仿真流程的能力，这无疑极大的增加的仿真的工作效率。实际上，Fluent Meshing软件所使用的多面体网格，也是能够完美被Fluent求解器所支持的，目前也被证明是最为高效与准确的网格。

图12 Fluent本身也可以进行多面体网格转换

2.高效、稳定、灵活的技术

网格划分过程是枯燥乏味的，经常让人感到头疼与烦躁，如果在发生软件报错，那么几乎就是触碰到崩溃的边缘了（相信大家都有早年间被Gambit报错折磨的绝望经历吧）。Fluent Meshing几乎从不报错（至少在18.2版本之前），稳定性远远超过ICEM CFD 和Workbench Meshing，可以有效减少这些意外给我们带来的 “负能量”。同时，其高效灵活的技术组成，会给工程师们的“天马行空”的发散思维提供强力的实践支撑，让网格划分的过程成就感十足，也让网格划分工作不再无聊和枯燥。

3.流体工程师走向成熟的表现

作为一名流体仿真工程师，在和同行或着专家进行交流的时候，往往会被问道：“您用的前处理工具是什么？是ANSA还是Hypermesh呢？”如果这个时候我们只能说用Gambit或是Meshing这些初级的网格工具，那么肯定是自降身价的表现。此时，高级的网格划分工具就成为了必不可少的“技术担当”，能够给工程师自身的定位提升一个档次。当然，从仿真的角度来看，任何软件生成的网格都可以进行分析，Fluent Meshing并不是必须的；然而，这就好比任何汽车都可以代步一样，很多的成功人士仍旧会选奔驰、奥迪这种豪车作为商谈业务的座驾，这里面更多的恐怕是代表着使用者的形象与身份。