解锁新技能：OpenFOAM三维网格生成器

SHM生成OpenFOAM网格过程如图1所示：

 

图1 基于snappyHexMesh的OpenFOAM网格生成流程图

 

需提供以下三个文件：

1	STL文件格式的几何文件（binary或者ascii格式，存储在constant/triSurface子字典中）；
2	背景六面体网格（用于定义计算域范围和背景网格，一般由blockMesh 生成，也可由外部网格生成器生成）；
3	snappyHexMeshDict字典（提供生成网格的必要信息，位于system 子文件夹下）。

 

实际上，snappyHexMeshDict 字典中预先定义了网格质量标准，根据该字典中各参数的设定，能够对网格进行处理。SHM依靠迭代将一个初始网格细化，并将细化后的网格变形以依附于表面，在这个过程之后用户可以选择是否插入网格边界层。本篇主要介绍如何导入几何体，生成背景网格以及设置SnappyHexMeshDict文件各参数，从而获得对应的OpenFOAM网格。  

 

图2 snappyHexMesh生成网格示意图  

SHM生成网格过程如图2所示，以下将详细介绍：

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导入几何体/生成几何体

生成网格需要几何体文件，OpenFOAM中几何体可以直接外部STL文件导入（如前所述），也可以在snappyHexMeshDict的geometry子字典部分进行定义，如图3所示：

 

图3 几何体及加密区域参数设置  

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生成背景网格    

背景网格的生成可以采用OpenFOAM自带的blockMesh功能（通过system文件夹下的blockMeshDict字典设定参数），在创建背景网格的时候，它需要满足以下标准（图4）：

• 网格必须为纯六面体；

• 在随后要使用snap 的表面附近，网格长宽高的比应该大体为1。否则网格贴合的收敛过程会变慢，有时候还会导致失败；

• 网格单元必须至少有一个边和STL文件的面相交叉。例如，如果背景网格是单独的一个大网格单元是不行的。

 

图4 blockMesh生成背景网格示意图

网格的加密过程通过设置castellatedMeshControls部分各参数实现，可以对几何体表面及内部区域分别进行加密，如图5所示。

 

图5 castellatedMeshControls加密网格

在加密完成后，SHM将根据用户设定移除不需要的网格部分，保留用户所关心的网格区域（图6），该步骤通过设定locationInMesh参数实现（图7）。

由图6可以看到，网格移除后，边缘部分很不光滑，呈阶梯状，很显然这对于计算是不利的。需要对网格进行切合处理，使其边缘光滑（图8）。

 

图8 网格切合处理示意图

通过设置snapControls部分各参数，能够实现对网格的切合处理（图9）。

 

图9 切合处理参数设置  

其中，nSolveIter代表网格移动最大迭代数，nRelaxIter代表网格最大切合数，增大这两个值都可以使得网格切合的更好，但会增加切合时间。snapControls部分其他的参数建议按照默认值设置。

 

在进行网格对齐之后，这种网格可能已经达到了计算的要求。但是它会在边界处产生一些不规则的网格单元。可以在边界面上增加一些依附六面体网格的附加边界层网格（图10），添加边界层网格主要步骤分为：

• 依据一个指定的距离（边界层厚度），网格在几何面法向的方向向后映射；

• 依据新的网格点重新排布内网格点（采用松弛算法迭代处理）；

• 检查网格标准是否满足，没有的话减少映射量并返回到第二步。如果任何距离下都不能满足网格标准，则放弃插入边界层网格；

• 如果网格标准满足，插入网格边界层；

• 再次检查网格，如果不满足网格标准，去掉边界层并重新进行第二步。

snappyHexMeshDict文件的addLayersControls部分定义了添加边界层网格的参数，各参数意义详见下表。

网格质量控制参数在snappyHexMeshDict 中的 meshQualityControls 部分进行设定，如下图11所示。meshQualityDict定义了诸多网格质量标准，位于system目录下，一般可以按照默认值进行网格质量标准参数设定。

 

图11 网格质量检测参数设定

以上，依次从导入几何体—背景网格生成—加密网格—切合网格—添加边界层网格几个方面详细介绍了如何使用OpenFOAM的多面体网格生成器snappyHexMesh，用户可以自定义snappyHexMeshDict文件的各个参数，进而灵活地生成目标网格，你get到了吗？