不用画网格的CFD？真香~

LBM与流体力学 2020年6月5日浏览：2356 收藏：1

记得三年前，有一个研究生来我们公司面试，面试官让他谈谈对于PowerFLOW的认识，这个小伙子说“PowerFLOW是新一代无网格CFD工具。”话音刚落，我们的技术总监就笑了，他说“我们从来都不是无网格的CFD工具，我们只是全自动生成体网格的CFD工具。”

划网格的痛苦历历在目：相信绝大部分的CFDer在学校或者工作中接触的传统CFD工具都需要经历痛苦的前处理过程，从三维模型的简化开始，抽取流场域、面网格、体网格、边界层加密、调整网格质量，历经千辛万苦最终得到自己想要的网格。如果运气不好，你做的那个计算必须使用结构化网格，那就更痛苦了。笔者在学校念书的时候曾经画过汽轮机抽汽系统的结构化网格，两个不规则形状之间插着无数的小管，我到如今还记得O网格套着O网格，还有C网格和H网格。

“苦海，翻起爱恨；在世间，难逃避命运。”

不经意间命运已改变：如果使用过PowerFLOW或者其他某些LBM工具的朋友会发现，在具体使用的过程中，和传统方法最大的区别就是不需要再手动画体网格了。特别的，对于PowerFLOW，我们只需要将几何模型转化成三角形的面网格（nas或stl格式），然后将该面网格导入PowerFLOW即可设置边界条件进行CFD计算。

不用画网格的CFD？真香~的图1

我们前面说到PowerFLOW的计算仍然是需要体网格，只是软件会全自动生成，即在提交计算的时候，求解器会自动进行空间离散，生成体网格，PowerFLOW的网格就是标准的正六面体网格，是所有CFDer心中梦寐以求的网格形状。

众望所归的正交网格：大家应该还记得，我们在前面的文章中说过，LBM是玻尔兹曼方程在空间中的离散格式，因为实际粒子的运动方向有无数个，我们只有将速度方向离散为有限的个数才能进行数值计算。当然，离散格式并不唯一，下图展示了在二维平面上，两种不同的离散格式。大家可以想象，在自然选择过程中，更加适合数值实现的前一种Square Lattice便成为了如今LBM的主流。谈到LBM的主流，值得一提的是，LBM是少有的华人占主力地位的领域，作为一个晚辈，深感骄傲。不敢蹭各位大神的热度，谨以此勉励自己吧。

如何解决网格的过渡问题：确定好了以标准的正六面体作为我们的网格之后，细心的读者可能会问两个问题。因为在实际的计算过程中，在流场中的不同区域，需要不同尺度的网格，也就是我们常说的网格疏密。如下图所示，我们可以看到网格尺寸从内向外逐级增大，且相邻两级之间的网格尺寸比例是1:2，如果把局部的网格放大显示的话，我们会更加清楚的看到网格尺寸的变化。相信很多读者发现了一个小问题，Level2和Level1的网格并非一一对应的。那求解的时候该如何处理呢？

不知道大家还记不记得，我们在之前的文章中介绍过LBM是如何描述粒子在时域上运动的。我们可以设想一下，如果一个粒子以速度U在Level2的网格上运动，从一个节点到另外一个节点所需要的时间为t，那么该粒子如果运动到了Level1的网格上，则需要2倍的t才能从一个节点运动到下一个节点。所以，在实际的求解过程中，Level2每计算两次，Level1才进行一次计算。

何为等效网格量：综上所述，流场中很多稀疏的网格需要间隔很久才会进行一次计算啊。所以，大家在使用LBM方法做计算的时候，除了要关心网格总量，还要关注另外一个“等效网格数”的概念，它才是真正影响计算量的参数，因为“等效网格数”把流场中不同尺度的网格全部换算成了等级最高的网格尺度。看完这篇文章之后，大家记得去看看你的离散文件，对比一下总网格数和等效网格数的值，看看它们之间是如何换算的。

如何处理壁面：相信读者关心的另外一个问题则是关于壁面，远离壁面的区域当然可以使用正六面体，并通过2倍的关系逐级变化网格尺度。但是壁面毕竟是不规则的，如何划分正六面体的网格呢。大家先看看下面这个示意图吧。大家是不是已经明白了，就是使用体网格和壁面的三角形网格直接相交，生成一套全新的用于实际计算的面网格，既保证了几何的形状，又实现了体网格和面网格之间的对应。