VirtualFlow 网格技术及功能演示

1年前浏览5420

网格生成方法中结构化网格基于刚性的拓扑结构，每个内部网格点毗邻的结构单元都具有相同的构造，多为四边形和六面体。相较于非结构化网格，结构化网格更加易于生成与处理。

非结构化网格通常以四面体等单形作为结构单元，比较灵活。由于其拓扑结构没有重复性，不一致的结构单元增加生成非结构网格的难度，在进行 CFD 计算时，也难于计算网格之间的联通性。非结构化的网格单元方向随机，有可能产生不合理的网格界面，导致计算结果的畸变。

多块网格则是由多个结构化模块以非结构化的方式连接形成的网格。多块网格继承了结构化网格的大部分优点。由于复杂几何体可视为多个几何组件，因此相较于结构化网格，多块网格更易生成，其应用也十分广泛。但是如果块与块之间共享边界，即块与块之间是联通的，那么两块之间在计算时需要进行数据交换，这个问题在并行运算时尤为明显。

如果可以自动生成结构化网格，或者自动计算多块网格之间的联通性，就可以避免结构化网格与多块网格的劣势，发挥它们在计算上的优势。浸入界面方法正是这样的一种网格生成方法。

浸入界面法生成网格

当计算域边界为曲面等较复杂形状时，传统的结构化网格处理并不适用。这种情况下，贴体网格(Body Fitted Coordinates, BFC)中的外部网格点均位于计算域边界上，避免了上面计算域边界与网格交界面方向不一致导致的高阶误差。但贴体网格的生成工作量大，且可能产生不可忽略的离散误差。

如果计算域中包括固体对象，比如河流中的岩石，贴体网格在生成时需要将固体对象剔除，增大了工作量。而浸入边界（Immersed Boundary, IB）法将固体边界标记为离散的拉格朗日点，嵌入到欧拉域中，并将边界对欧拉场的作用力离散至每个标记点，以惩罚的方式直接施加于欧拉网格。每个标记点的外力公式不同，保证边界满足无滑动边界条件。但是数值试验证明这种方式可能降低数值模拟的稳定性。

VirtualFlow网格技术

受浸入边界法启发，通用流体仿真软件VirtualFlow采用浸入界面法（Immersed Surface Technique，IST）来模拟固体对象与流体之间的相互作用，包括固体对象内部的共轭传热等。

与浸入边界法通过拉格朗日标记点将动量直接施加于欧拉网格不同，IST 方法基于水平集方法，隐式求解跳跃交界面条件。IST 方法将固体对象视为具有热力学属性的第二相，其内部的热传导与外部流体的对流直接耦合，在求解共轭传热问题上具有优势。

将固体对象的几何文件读入VirtualFlow软件后，浸入界面方法在 Navier-Stokes 方程的求解过程中，直接读取墙壁的法向等信息来计算墙壁的粘性切变。如果边界比较复杂，可以使用VirtualFlow软件中的分块自动加密方法（Block Mesh Refinement, BMR）对边界进行加密。

IST/BMR网格技术