这种高效CFD仿真“网格划分策略”，让洁净和空调CFD实施周期压缩至0.3倍！

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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
内容充实: 工程案例
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导读：前不久，吸碍浮弟在仿真秀平台的开开直播《案例实战：CFD技术助力建筑暖通设备方案设计》吸引了800 用户的关注，深受用户好评（可在仿真秀官网或App直播板块反复回看）。吸碍浮弟，仿真秀专栏作者，科班出身，专业CFD咨询服务8年，精通的咨询领域包括建筑暖通、洁净室、厂房、隧道等；电子散热；传统汽车及新能源；旋转机械等通用设备。本文来自他的原创撰稿，以下是正文：

一、写在前面

洁净厂房和空调环境领域的CFD仿真具有其行业鲜明的特点：

①总体空间尺度大，局部小部件尺度小，特征尺寸跨度大。如洁净厂房的总体尺寸很大，但为满足洁净要求安装的高架地板的开孔尺寸却很小；污水处理厂房的总体尺寸很大，但通风管路的尺寸却很小等。

②厂房内部设备、设施等部件繁多，摆放空间位置复杂。如洁净空调厂房中FFU数量高达上万个，高架地板孔板数量高达十几万；生产车间内的设备种类繁多，数量也很庞大，摆放位置相互堆叠。

③仿真实施周期短，受工程施工周期约束，CFD人员实施时间紧迫。受国家标准的影响，越来越多的施工方案需要CFD仿真的确认后方可进行正式施工，施工方案在CFD仿真验证后或许修改多版才能达标，仿真人员的实施周期进一步被压缩，对CFD仿真人员是个很大的挑战。

图1 洁净厂房通风示意图

因为洁净厂房和空调环境领域中的CFD具有上述鲜明的特点，给该行业CFD仿真带来一些特定的问题：

①总体空间尺寸大，要求网格尺寸稀疏，但局部小部件尺寸小，要求局部网格尺寸细密，为了满足网格平缓过渡的要求，总体网格尺寸受局部小部件网格尺寸的影响不能取值太大，造成整体网格数量巨大；

②厂房内不同设备相互堆叠，CAD工程师建模时不同设备间存在干涉和接触，提供的数字图纸并不能满足通用CFD仿真的输入要求。

③在以上特点带来的两个问题的基础上，仿真人员的实施周期又被大幅度压缩，对CFD实施的周期提出了巨大挑战。

本文基于上述陈列的特点及带来的问题，集中讨论“网格划分策略”对该行业CFD实施难度及周期的影响，最终找到一种快速、准确的CFD实施方案，并以某实际工程案例举例说明本文推荐“网格划分策略”的实用性和有效性。

二、网格类型的选取

结构化网格和非结构化网格在实际应用中采用的是两种不同的网格划分方式。结构化网格由许多具有明确行列结构的小立方体组成，笛卡尔网格是一种常用的结构化网格，其只能通过阶梯形状来近似弯曲或成角度的表面。它非常适合于微小细节和曲面曲率或角度对整体结果影响不大的情况。结构化网格的应用诸如：电子冷却、暖通空调及建筑。非结构化网格通过四面体、五面体、六面体及/或多面体单元创建。所生成的网格贴合原始几何的特征线。因此，非结构化网格可用于对几何表面精确要求较高的情况。非结构化网格的应用诸如：车辆空气动力学、风机叶片设计及管道内的流动。

结构化网格和非结构化网格对模型表面捕捉的示意图见下图2。

图2 结构化网格和非结构化网格对模型表面的捕捉

1、结构化网格

结构化网格的网格节点排布规则，有规则的行和列编号，更易于用简单的数学描述来管理结构化网格。结构化网格又细分为Cartesian grids(笛卡尔网格)、Body-fitted coordinate grids(贴体坐标网格)、Block-structured grids（分区结构网格）。笛卡尔网格的网格单元完全正交，在所有网格类型中，其使用内存最小，计算速度最快，但在处理曲面问题时，用台阶结构近似曲面。贴体坐标网格能够保证网格的结构性（规则的行和列结构），但对于复杂几何结构网格生成困难，且不易保证网格正交性。分区结构网格严格意义上并不属于结构化网格，计算域被劈分为很多子域，网格在各自子域内保持结构性，曲面附近网格不具备结构性，所以该类型网格所需内存比笛卡尔网格高，计算速度也低于笛卡尔网格。

图3 笛卡尔网格示意图

图4 贴体坐标网格

图5 分区结构网格

笛卡尔网格计算内存和速度性能上之所以能保证优势，其原理是笛卡尔网格能够完全保证正交性，离散的控制方程中没有非正交项，系数矩阵能够保证对角占优，便于求解，所以该类型网格使用内存小，计算速度快，且易趋近于稳定。ScSTREAM便是基于结构化网格中笛卡尔网格的求解器，一般情况下，其计算速度是非结构化求解器的3倍左右。

基于上述两段的分析，洁净厂房及空调环境CFD仿真倾向于采用结构化网格，以解决其网格数量多，项目周期短的问题。

图6 洁净厂房内部设备的结构化网格示意图

2、非结构化网格

对于复杂结构的几何，且需要高精度捕捉表面的边界层效应时，非结构网格非常流行。非结构网格可以是任意形状，非结构网格主要分为基于控制体和基于节点两种类型。结构化网格的计算消耗内存大，计算速度慢，主要原因是因为非结构化网格的离散过程中会产生非正交项，求解非正交项相关的参数需要额外的内存且影响计算速度；非正交性引起的网格质量问题也会引起奇异矩阵的处理问题，如采用TVD格式或加入限制器函数，也会引起内存的消耗和计算速度的降低。

图7 非结构化网格示意图

在大尺度的厂房气流组织仿真模拟时，厂房内的涡流主要是因为几何形状和边界条件引起的大尺度涡，壁面附近的粘性效应对主流涡流分布的影响很小。因为非结构网格的高内存消耗和较低的计算速度，再结合本文引言部分中对洁净厂房和空调环境CFD项目的特点，实际洁净厂房和空调环境CFD项目的实施并不推荐使用非结构化网格。

三、网格质量的评价

网格质量的参数有很多，如：长宽比，翘曲，网格面最小角度等。计算稳定性除了对于网格本身的几何参数有要求外，对于相邻网格的几何参数比率也有一定要求，如网格尺寸的变化率等。

图8 网格质量评价示意图

在洁净厂房及空调环境CFD仿真中，主要采用结构化网格类型的笛卡尔网格，其质量评价主要是长宽比和网格增长率。

1、长宽比

长宽比是网格水平尺寸与垂直尺寸的比率。比较理想的情况是△Y/△X＜10。但是对于实际的工程项目，一般也很难满足理想情况，在实际的工程项目实施中，一般可将△Y/△X的最大值放宽到100。总的来说，只要计算未发散，质量和能量是守恒的，就可以使用计算得到的结果。

图9 网格长度和宽度示意图

2、增长比率

增长比率是相邻网格在同一方向上的几何尺寸比率。一般情况下推荐△X2/△X1≈0.8~1.2。网格越接近正方形，网格质量越好。

四、网格数量的决定因素

图10 网格劈分的一些基本原则

对于工程应用的CFD分析，应该在满足计算精度的基础上，最大限度的减少网格数量。我们从“几何特征的捕捉”、“网格过渡”和“嵌套网格”三个方面讨论如何用最小网格保证满足工程的精度。

1、几何特征的捕捉

小型零件需要至少3~5个网格来描述；大型部件至少7~15个网格来描述；缝隙需要至少3~5个网格来描述；在尾流等边界层分离区适当加密。

图11 用网格捕捉几何特征示意图

图12 按照基本原则划分的网格

2、网格过渡

对感兴趣的区域及预期速度突变的地方进行网格细化，其他区域采用大尺寸网格。可减少网格数量，节约计算时间和消耗内存。网格过渡的效果可可参考图12的分离区加密。

3、多层级分区网格的使用

虽然结构化网格的排布具有规则排布的结构性，但要求排和列上网格数量具有连续性，这就造成了图13所示的问题：中间区域的芯片引脚需要加密（图13a红圈），与之相对应的远离中间区域的边界区域也同样被加密（图13b红圈），造成了网格数量的无意义增多。

图13 多层级分区网格的使用

使用多层级分区网格能够解决上述整体加密造成的网格数量无意义增多的问题。如图13b所示那样，对需要加密的零件采用一个大小类似的加密分区，对加密分区内的网格采用细密网格等级，远离加密部件的其他区域网格尺寸未改变。这样既满足了局部区域的网格加密需求，其他区域的网格分布也没有收到影响，从而采用最少数量的网格并保证了计算精度。

五、进一步缩短项目实施周期：几何处理工具的重要性

网格划分之前一般需要得到特殊要求的几何结构，如：几何的水密性，无干涉，无穿刺等。工程中的CFD项目，约有50%~80%的时间花费在几何处理上。上述讨论的结构化网格具有时间速度快，内存消耗低的优势，一定程度上可缩短项目实施周期。如果前处理工具能够对几何进行自动化处理，项目实施周期将进一步被大幅度压缩。

1、自动布尔操作

CAD的三维图纸中不同部件之间经常会有轻微接触，接触部件之间会有重叠，分网格之前需要将重叠部分人为去除。布尔操作是常用的手段。图14为布尔操作示意图。

图14 布尔操作示意图

如果软件能够自动识别部件的重叠部分，并且按照模型树中部件的排布顺序自动判断优先保留哪个部件，则会大大节约人工时间，从而缩短项目周期。ScSTREAM便具有这样的功能。下图15中的红色框选区域，高架地板与设备之间存在干涉，如果人工处理则需要较多工时，借助ScSTREAM的自动化布尔操作功能，无需人工干涉，直接劈分网格即可。

图15 自动布尔操作示意图

2、带有物理性质的几何模型库

当遇到孔板，条形格栅等阻力部件时，如果对孔和条纹直接劈分网格，则需要巨量网格，在工程实施中一般用“多孔介质”或“阻力零件”来等效这些多孔零件。多孔零件需要为其附加阻力物理参数，常规的CFD软件需要先建立阻力零件的模型，再逐个为其施加阻力物理参数。

当阻力零件数量较少时，可以逐个施加，但当阻力零件有成千上万个时，逐个施加需要耗费大量精力，严重拖沓实施周期。ScSTREAM能够首先建立阻力零件几何，对几何附加物理参数后，将其注册为“库零件”，然后对具有物理属性的“库零件”直接阵列，阵列出来的新零件具有相同的物理属性。当具有数以万计的阻力零件时（如高架地板的开孔板），该功能大大缩短人工实施周期。