服务于NASA的结构化网格生成利器-GridPro

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GridPro由美国PDC公司专为NASA开发，是国际公认的顶级结构化网格生成软件之一。其设计初衷是为航天航空领域的高精度CFD分析提供高质量网格解决方案，后扩展至汽车、能源、生物医学等工业领域。

六面体网格划分软件 GridPro 通过允许仿真工程师手动修改拓扑以应对重大形状变化，并使用其专有的网格平滑算法 Ggrid 自动适应和优化计算网格以应对较小偏差，解决了这些挑战。但在某些情况下，块定位可能不利于 Ggrid 确保良好的网格质量，导致单元严重倾斜或折叠。

为了进一步简化流程，GridPro 与 Caeses 合作开发了一项拓扑映射功能，该功能可自动将基线模型的拓扑映射到其形状变体。通过使用点云对将基线模型的拓扑映射到变体，即使在复杂的设计变化中，也能保持与原始模型相同的网格质量水平。这种基于优化的网格变形技术节省了时间，并提高了跨多个设计迭代的仿真准确性和可靠性。

GridPro 的优势

在涉及参数化研究的 CFD 和设计优化工作流程中，网格质量和一致性对于确保准确且可比的仿真结果至关重要。

非结构化网格虽然易于适应，但具有某些限制和缺点：

每个变体都需要重新网格划分：几何形状的任何变化通常都需要全面重新网格划分，这既耗时又容易出现差异。
单元分布不一致：不同变体之间的网格质量和单元位置可能不同，导致与物理现象无关的结果散差。
通常需要网格划分后的清理：几何形状的小变化可能会导致扭曲的单元或质量差的元素，需要手动更正。
参数化循环的网格划分时间更长：反复网格划分会为参数化工作流程增加显著的开销，特别是在大规模研究中。

相比之下，结构化网格提供了以下优势：

拓扑可重用性：一旦创建了块拓扑，就可以在所有几何变化中重复使用，几乎不需要或不需要手动调整。
易于自动化：易于集成到自动化设计循环（如实验设计、优化）中，以进行高吞吐量研究。
一致的单元分布 ：在所有变体中保持一致的元素分布和对齐，确保结果比较的可靠性。
准确的近壁面解析 ：即使几何形状发生变化，边界层和关键流动区域也能保持高质量的结构化单元。
平滑的网格过渡 ：整个域内单元大小的平滑变化减少了数值扩散并增强了收敛性。

计算仿真中适应几何变化的拓扑结构

基于几何变化的 CFD 中的拓扑变形是一个关键概念。它涉及将预定义的网格拓扑适应参数化变化的几何形状，同时保持拓扑保持、单元大小、宽高比和整体网格质量等基本属性。此过程确保了随着几何设计的发展，计算域保持准确和功能正常。

在实践中，可以通过多种方法实现拓扑调整。一种常见的方法是弹簧类比，即拓扑元素通过虚拟弹簧连接。当几何形状变形时，这些弹簧会自动调整块，有助于保持平滑过渡。此外，在调整边界节点后，还可以应用平滑算法来优化块质量。

一种更先进的技术是使用径向基函数 (RBF) 插值来针对形状变形精细调整节点位置。这种方法特别有效，可确保拓扑精确适应变形的设计变体。

方法：点云映射

专注于多块结构化网格（Multi-Block Structured Grid）的自动化生成，通过动态边界协调（DBC）技术实现复杂几何体的高正交性网格划分，显著提升CFD求解精度和收敛速度。

在我们的工作流程中，比较两个相似的参数化模型时，我们在初始几何形状和变形几何形状上识别一组随机节点，并创建一个映射。该映射进一步用于将拓扑从一个设计变体变形到另一个设计变体。

初始几何形状和变形几何形状的点云

a.基础拓扑。b. 无映射的拓扑。c. 有映射的拓扑。

通过利用这些技术，我们可以有效地使拓扑适应几何变化，确保一致的网格生成，以实现准确可靠的仿真。

工作流程概述

为了测试这种新的自适应网格划分方法，轴向涡轮叶片被选为第一个测试案例。最初，使用 GridPro 网格划分软件的手动界面构建涡轮叶片的基线线框拓扑。这是唯一步需要人工干预的步骤。一旦建立了基线拓扑，它就作为模板，在 Caeses 平台上自动为各种设计变体生成网格。

接下来，通过集成脚本将 GridPro 集成到 Caeses 中，创建了一个闭环系统。该脚本旨在管理表面网格生成、CAD 文件转换、拓扑适应和网格生成。在这种设置中，Caeses 参数化修改轴向涡轮叶片形状以产生不同的变体，而 GridPro 则自动为每个变体生成多块结构化网格，无需用户进一步参与。