5条建议助你画出完美的涡轮机械网格

将流体域离散为包含四边形、六面体、三角形、四面体以及棱柱体等细小单元的过程称之为网格划分，而对旋转机器、涡轮机械进行网格划分则是CFD玩家们公认的最复杂和最具挑战性的工作之一。

对涡轮/旋转机械进行网格划分分为以下步骤：

1. 选择网格类型

为了模拟得到精确的流场，涡轮机械的CFD计算需要高质量的六面体网格。基于多块（Multi-block）方法的结构化六面体网格比非结构的四面体网格具有下列优势：

• 更少的网格单元数目

• 更高的计算精度

• 高解析度的边界层网格

• 允许比非结构网格具有更大的纵横比（aspect ratio）

当网格与流动方向对齐时，结构化网格可以显著减小计算误差。但是当几何变得复杂时，网格的质量会下降。所以，在CAD几何文件清理之后，就应该着手探究生成多块结构化六面体网格的可行性。

对复杂的或者奇形怪状的几何，六面体网格很难生成，非结构四面体网格应运而生。这种情况下，在边界附近生成高质量的棱柱层网格变得尤其重要，这对求解边界层流动以及保持湍流模型所需的Yplus值意义重大。

在一些情况下，我们也需要混合网格，例如，叶轮（旋转域）区域采用六面体网格，而涡壳（静止域）区域则采用四面体+棱柱层网格。这种情况下，则可能产生非共形交界面（non-conformal interface）

通常，多块六面体网格较多用于轴流（axial flow）机械，而混合网格则多用于径向流/离心流（radial/centrifugal）以及混合流动机械。

所以，网格的选择通常取决于几何的复杂程度以及我们想要研究的流动的特性。

2. 周期性网格

叶片几何具有的旋转周期性为减少网格划分时间、精力和复杂性提供了便利。轴流机械以及径向流/混合流机械的旋转域部分同样可以采用这种划分方式。这种方式的第一步就是选择周期性的单流道，其周期角由叶片数目决定，即：

周期角＝360°/叶片数

例如：
对一16叶片的径向涡轮机，其周期角＝360°/16＝22.5°（单叶片通道）

而对于只有4个叶片的泵来说，其周期角＝360°/4＝90°（单叶片通道）

这种周期性的几何区域可以通过两种方式进行选择：

• 两个叶片之间的流道（第一个叶片的吸力面到下一个叶片的压力面）

• 周期性的流道中只包含一个完整叶片

如果流动本身也是周期性的（大部分轴向流机械），只需要对单叶片流道划分网格并用于模拟计算即可，无须考虑叶片的数目。

但是，如果流动不是周期性的（具有涡壳的径向流和混合流机械），单周期流道的网格需要进行旋转复制，以形成完整的（360°）几何及网格。

3. 网格尺寸/数目

网格数目就是填充整个流域的网格单元总数，由几何的复杂度和仿真模拟的目的决定。网格数目必须足够：

• 解析完整几何

• 捕捉关键流动现象

根据经验，常采用下面的参考值：

• 叶片表面（流向）—100到120单元

• 叶片到叶片方向（径向）—50到60单元

• 叶毂到包套方向—30到40单元

• 导边和随边周围—15到30单元

传热模拟/热耦合模拟可能需要更好的表面网格以便获得流固交界面上的真实热通量值。

4. 边界层解析度

壁面垂直方向的网格数目取决于边界层的解析度以及所使用壁面函数对第一层网格高度的要求。

关于增长率，一般来讲，在边界层区域，网格单元的增长率应该在1.2到1.25左右，而在外域，增长率可以增大到1.3到1.5，确保整个计算域内网格尺寸不会突变。

5. 网格质量

最后，通常要对网格进行光顺以达到CFD求解器的网格质量要求。这最后一步的调整非常重要，因为网格质量极大地影响着收敛性、求解的精度以及CPU计算时间。