全新体验的Fluent Meshing | 在飞行器外气动分析中的应用

在飞行器外气动数值模拟计算中，网格质量对计算结果有着至关重要的影响，特别是航空航天飞行器外气动计算流体力学问题所涉及的复杂流场（如激波、流动分离等）必须采用非常密的高质量网格才能达到计算精度要求。高质量网格是高精度分析结果的保证，质量不好或者差的网格，则可能会导致计算无法完成或者得到毫无意义的结果。

通常，飞行器外气动数值模拟计算对网格有以下两方面的特殊要求：

一是考虑到近壁面粘性效应，需采用较密的贴体边界层网格；

二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致。传统的飞行器网格划分方法是采用基于拓扑切割的网格划分方法划分结构化六面体网格。

基于拓扑切割的网格划分

但是，基于拓扑切割的结构化六面体网格划分方法具有拓扑切割繁琐、难度大，需要花费大量的时间和精力等劣势，特别是对于复杂飞行器模型（如包含挂架、多段高升力、起落架、外挂载荷等）来说，要切割出完整的网格拓扑则是非常难的。

随着计算机硬件资源的发展及数值仿真并行加速效率的提升，非结构化混合网格在飞行器外气动分析中逐渐得到广泛应用，而具有流程化、高效、高质量的、多面混合网格划分特点的Fluent Meshing更是在飞行器外气动分析应用领域中脱颖而出。

Ansys于2019年推出了一种全新的、适合于复杂模型（包括飞行器）网格划分的、基于流程化的、高效高质量的、干净几何网格划分流程 (Watertight mesh：WTM），该流程将必要的设置按照流程节点方式进行组织和定义，极大的提升了软件操作效率和网格划分效率。特别是2020 R1版本对Poly-Hexcore功能的提升使得Fluent Meshing在网格质量上、划分效率上都得到了大幅的提升，并使其更加适合复杂飞行器外气动数值仿真分析。

全新的Fluent Meshing可在单一操作界面操作树中一站式完成几何结构导入、全局/局部网格尺寸定义、面网格划分、边界条件预定义、计算域识别及抽取、边界层设置、网格划分类型选择及体网格划分等操作。

全新Fluent Meshing集成式网格生成操作界面

Fluent Meshing网格划分高效主要体现在划分的网格数量少、效率高和高效的并行加速效率两个方面：

Fluent Meshing在Poly-Hexcore方法划分的网格具有低网格数量的特点，以及低网格数量所带来的的高效数值计算。如下图所示，与Tet-Hexcore网格划分方法相比，Poly-Hexcore方法划分的网格数量得到了大幅的减少，总体网格数量上Poly-Hexcore比Tet-Hexcore减少了48%，棱柱层网格减少47%，计算时间减少41%。

Fluent Meshing划分的Tex-Hexcore网格与Poly-Hexcore网格

Tex-Hexcore网格与Poly-Hexcore网格对比表：

Fluent Meshing具有高效的并行网格划分的特点，如下图所示：Fluent Meshig商用飞机网格划分，生成121,000,000网格单元，单核网格划分需要1639分钟，32核并行网格划分只用了246分钟，与单核网格划分相比，32核网格划分的加速比高达6.6倍加速。

Fluent Meshing商用飞机Poly-Hexcore网格划分并行效率图

Fluent Meshing划分的网格质量高主要体现在以下三个方面：

Fluent Meshing对飞行器外表面以及棱柱层统一用的多面网格生成、填充。由于多面网格具有网格生成效率高、适应性好、网格质量高（统一的网格质量）的特点，这使得飞行器外表面和棱柱层网格都具有统一的网格质量（规则的正六边形网格质量）。

Fluent Meshing对飞行器空间区域网格填充时，采用的是具有悬挂节点的Hexcore网格填充，由于Hexcore网格继承了笛卡尔网格与非结构网格的优点，具有低网格数量，高网格质量的特点，这使得Hexcore填充的流场域网格具有笛卡尔网格高质量的特点，也使得Hexcore更加适合复杂飞行器外气动流场分析。

Ansys独有专利 Mosaic技术可将不同类型的网格与一般多面体元素自动高质量的连接。此外，Mosaic 网格还具有网格数量少（相比于四面体网格，多面体和Mosaic网格可以减少30%-40%的网格数量）、质量更好，网格划分时所需更少（内存减少了三分之一）的特点。

Fluent Meshing划分的高质量基于Mosaic的Poly-Hexcore网格

 Ansys非结构化网格划分工作流

Fluent Meshing Poly-Hexcore划分的网格具备高质量、低数量的特点，这使得基于Fluent Meshing划分的网格在数值计算上往往表现出计算精度高的特点。下图是商用飞机攻角4.36°计算收敛曲线与气动特性曲线以及与试验结果对比，从计算结果可知，Poly-Hexcore网格外气动计算能够快速的收敛，并且与Tet-Hexcore (280,000,000网格单元) 计算结果相比，Poly-Hexcore（140,000,000网格单元）计算的升力和阻力曲线与试验值更加接近。

Tex-Hexcore网格与Poly-Hexcore网格计算结果对比

除此之外，Fluent Meshing还具有边界条件预定义和计算域自动识别功能，可根据流体域和固体域名称自动进行识别，预先对进口、出口、对称面、周期对称面等进行边界条件类型设置并可直接在后续的求解计算中使用，Fluent Meshing的全新体验使飞行器外气动分析研究更加的简单便捷。

综上所述，颇具潜力的Mosaic 网格连接技术的出现，提供了振奋人心的网格单元组合，使得高质量、低数量的高效网格划分得以解决，使得航空航天飞行器高超声速流动、跨音速流动以及其他多介质、高温高压系统的计算流体力学问题等复杂问题得以解决，并为以后复杂飞行器数值研究提供了基础和无限可能性。