流体网格的专科医生-Fluent Meshing中的诊断工具介绍

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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在CFD流体计算中，不同网格模型通常会包含不同种类的问题，这就好比我们的身体都会生病一样。尤其是当仿真中遇到复杂的几何模型时，可能出现问题的几率就更高了。在通常的网格划分流程中，存在问题的表面网格（Surface Mesh）是无法有效生成体网格的；当然，如果体网格存在问题，那么求解器也是无法进行仿真计算的。为此，流体工程师必须要在前处理的过程中来解决这些网格的“病症”。

图1 常见的面网格问题

Fluent Meshing作为一款高级的前处理工具，具备有强大可靠的网格诊断工具Diagnostics，可以处理任意CFD表面网格（部分四边形问题除外）存在的问题，主要包括自由边、多重边、网格自相交、面网格质量过差等情况。当然，实际上FM中的Diagnostics工具包含非常丰富的功能，限于篇幅，本文仅对最为常见的几种技术作以简要介绍。

通常我们就医的时候，都需要首先进行一些检查，比如血常规、核磁共振、超声检查等。等拿到结果之后，医生会进行相应的判断，从而提出治疗的方案。和就医的情况类似，Diagnostics诊断工具的工作步骤也主要分为两个部分，一是检查并定位问题，二是进行有效的处理。

为了方便我们使用，检查问题的分类和对应的自动化处理方法通常都在同一个面板下进行操作；当然，如果我们面临的错误比较复杂，那可能还需要加入手动的操作来完成任务。

一、Summary工具

从严格意义上讲，Summary工具并不能算做是Diagnostics诊断工具中的一个功能，但是这个操作使用的频率实在是太高了，而且与诊断工具配合，可以极大的提高网格问题处理的工作效率。

通过该工具，我们可以快速的从整体上判断表面网格的概略情况，比如是否有自由边、多重边等。假如Summary的结果很好，那么几乎可以认为不需要做诊断的操作了；假如存在不同的问题，那么则可以有针对性的进行进一步的诊断操作。

图2 通过Summary工具可以判断网格的初步问题

Summary工具就好比我们通常就医时的血常规检查，通过这个结果通常可以判断是细菌感染、病毒感染或是没有感染。当然，如果不配合其他检查，单从血常规的单子中是无法判断具体哪些位置发生的感染，因此就需要进一步的检查。为此，仅使用Summary工具和血常规检查一样，都只能大致了解可能存在的问题，对于精准的定位操作就必须要用更为专业的工具来处理。

图3 通过血常规检查单通常可以进行初步的判断

二、自由边工具

如果一个面（Face）的任意一条边是自由（Free）的，没有与其他的面相连接，那么FM就会将其标记为Free Face，可以在Display面板中查看，包含自由边的面网格默认是浅蓝色的。

图4 自由边显示方法，可以看到该模型中存在大量自由边

绝大多数的自由边是不应该存在的，因为这是计算区域不水密的表现。当然，如果计算域中存在无厚度壁面，则在该位置的自由边是允许存在的，而且很多情况下必须存在。当然，这些自由边实际上并不影响体网格的划分。

对于任意的水密封闭表面而言，自由边出现的原因是由于几何在数据传递中容差不同所导致的。Fluent Meshing可以快速定位自由边存在的位置，并能够根据多个自由边相连的位置关系进行分批次的显示，方便我们集中处理一类有共同特点的自由边。当多个位置同时存在自由边时，FM还可以根据其相互的位置关系进行标记（Mark），并针对该组标记的表面网格（一个或多个Face）进行处理。

图5 自由边的诊断面板

自动处理自由边的方法主要有三个，分别是Merge nodes、Stich和Delete。

图6 自动处理自由边的三种方法

首先介绍一下Merge nodes，这是最为常用、且最可靠的方法，通常都是必须首先使用的技术。通过该方法，可以快速的将节点位置比较接近的自由边闭合成封闭的边，而且该方法的最大优势是不会改变结构的形状。

图7 通过Merge nodes技术可以快速实现缝隙去除

其次就是Stich，该工具主要用于Merge nodes无法解决的问题。根据不同容差的设置，可以将距离相对较远的两个节点合并，从而达到合并自由边的目的。需要注意的是，Stich可能会改变原有的几何形状，尤其是在两侧自由边距离较大的时候。

图8 Stich工具使用不当时，可能会出现几何错位的情况

Delete工具是直接删除包含自由边的面网格，只有极少数情况下可能会用到这个工具。

图9 三种自由边自动处理方法的对比

因此，对于任何自由边的缝隙问题，都建议首先使用Merge nodes工具进行自动修复，并按照相对容差10%、20%、30%、50%的顺序依次处理（直接Apply for all即可）。随后保存表面网格（用于预防Stich破坏几何形状），再针对剩余的自由边使用Stich，且容差建议不超过15%。

当然，实际上有很多问题即使使用Stich仍旧无法顺利解决。这个时候就需要手动处理这些“顽固”的自由边。和Summary操作类似，这些手动技术虽然不从属于Diagnostics工具的范畴之内，但通常是我们修复网格技术的重要补充。

1）Patch封盖工具。当模型中有面缺失时（孔洞），就不可避免的会出现自由边，对于这一类问题，是不能依靠Stich和Merge两种工具的，只能用打补丁的方式。FM中具备快速封盖工具，首先选择任意一条孔洞边界上的自由边，随后点击Creat工具（快捷键F5）即可实现快速修复的操作。当然，如果需要修复的位置曲面形状过于复杂，那么可能修复的结果会不尽如人意。

图10 patch工具自动修复孔洞

2）手动合并节点。首先要通过GUI的选择两个Node（FM默认鼠标右键选择），随后进行合并的操作。合并方法有两种：一种是Collapse坍塌，这种方式会将两个节点合并在中间的位置，快捷键是Ctrl+J；另一种是Merge合并，该方法会保持第一个选择的节点位置不变，并把第二个节点移动到第一个节点的位置，快捷键是F9。

图11 两种合并节点的手动操作方法

三、多重边工具Multi

当我们的网格模型中具备有多个计算域相连时，就一定会存在多边的情况，和自由边类似，我们也可以再Display面板中标记这些（包含多边）面的位置。

图12 多边的诊断面板与处理方法界面

在诊断工具中，我们也可以通过Multi来分批次标记不同位置与连接关系的多边情况，但是需要注意的是，正常多区域的交界边（面）是不会在这里被标记的，该工具只会标记有问题的多边情况。

图13 正常的多边与存在错误的多边

对于多边错误的解决，通常我们都会选择按照默认的设置进行自动处理（选择Above all）。因为对比自由边的处理方法，多边问题通常较为复杂，分类也不够明确，所以手动处理方法相对较少。当然，对于绝大多数的情况，自动处理的多边问题通常还是可以得到满意结果的。

四、自相交检查工具Self Intersection

图14 自相交的工具面板

详细很多用户在使用FM的时候都曾经遇到过这样的问题：我明明调整好了表面网格的质量，Summary时也没有明显的错误，为什么一画体网格就出错呢？甚至连Compute计算区域的时都无法通过？对于这个问题的情况，通常都是没有检查自相交所导致的问题。

图15 常见的报错信息，通常由面网格自相交导致

和上面多边的问题一样，对于少量的网格自相交问题，自动诊断工具可以直接解决问题，并不需要手动的操作；相反，如果找到了大量的网格自相交问题，那极有可能是共享拓扑出问题所导致的，这个时候就不建议使用诊断工具来做了，而是需要回去查看几何。

图16 不同的自相交问题对应的策略是不同的

最后，FM的面网格诊断工具虽然强大，但是仍旧有一些忠告要提醒各位流体工程师：

1）首先仍旧是要在SCDM中将几何修复和处理完善，对于严格按照流程操作的的*.scdoc文件几乎是不需要诊断操作的（因为没有任何问题），无论CAD模型多么复杂。

2）诊断技术大多数需要手动操作，耗时较多，工作效率不高，因此不适合在日常的前处理工作中频繁使用，避免产生依赖。建议仅在关键时刻，或难度确实较大的问题中作为“杀手锏”来使用。

3）当诊断的问题数量很大（比如成千上万）的时候，一定要返回SCDM中确认。包括是否针对每个几何体都使用了“检查几何体”操作，是否进行了共享拓扑操作，是否有干涉等情况。实际上对于诊断出来的问题，如果在几次以内的操作还是可以接受的；问题太多了就一定不是单纯的小概率错误，而是几何的某个大方向出了问题，这样如果使用诊断一步一步来，不仅时间上不允许，还容易产生额外的错误。

五、如何高效学习和使用Fluent Meshing

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