Ansys Fluent的重叠网格功能

在流体仿真中有不少包含运动部件的问题，如内燃机缸内活塞运动、阀门的开关、昆虫振翅、飞行器的分离、泵和压缩机的转子运动等等。在过去我们大多采用动网格来模拟这类问题，设置较为复杂，出现问题的几率大，还可能出现负体积的情况，因此需要工程师具备较高的仿真水平和工程经验。从ANSYS Fluent 17.0版本开始新增了重叠网格（overset mesh）功能，很好地简化了流体仿真中物体运动的复杂问题。

作者做了一个汽车行驶的演示案例，让大家来初步了解重叠网格的功能和效果。

重叠网格由两部分组成，包含主要流体区域的背景网格（background grid）和围绕圆柱体构建的单独的组件网格（component grid），如图1所示。部件网格的外边界指定为overset边界类型。落在计算域之外的网格单元被归类为死单元。求解流动方程的单元称为求解单元。受体单元（Receptor cells）接收从另一个网格插入的数据。供体单元（donor cells）是受体获取数据的单元，是求解单元的一个子集。流场初始化后的求解单元如图2所示。

图1 重叠组件和背景网格

图2 初始化后的求解单元

一个重要的拓扑约束是不允许物理边界区域（壁、入口、出口、对称等）彼此相交。也就是说，一个wall边界不能跨越另一个wall边界。overset边界可以与其它overset边界和物理边界相交。允许物理边界区域重叠，即wall边界（或wall边界的一部分）可以与另一个wall边界重合，只要它们不交叉。

如果受体单元找不到有效的供体单元，那么它就会变成孤立单元。孤立单元的存在通常表明网格之间的重叠不足或网格分辨率不匹配。当不同网格的wall靠近时，容易出现孤立单元问题。为了在网格之间建立良好的连接，您必须在间隙中至少有四个网格单元。Fluent 允许通过局部细化网格来尝试去除孤立单元和/或减少供体和受体单元之间的大小不匹配。重叠网格自适应（overset mesh adaption）可用于按需手动改进网格，或自动用于移动和动态网格模拟。当然，启用网格自适应会增加计算成本。

要启用自动重叠网格自适应，可以使用以下文本命令：define/overset-interfaces/adapt/set/automatic? yes

自动重叠自适应与传统的自动网格自适应完全兼容，例如当它用于更准确地跟踪VOF界面时。两种自适应方式可以同时开启，互不干扰。

图3显示了在双圆柱绕流仿真中开启重叠网格自适应功能后，很好地捕捉了高精度流场特征。

图3 开启重叠网格自适应

在Fluent中创建overset interface之前，必须正确指定overset interface中所有区域的overset边界。一旦创建了overset interface，就不能将任何边界从overset更改为另一种类型或从另一种类型更改为overset。

重叠网格的后处理也有很多要注意的点。如果在 Mesh Display 对话框中启用 Overset 选项，默认情况下只显示求解单元。禁用 Overset 选项会显示完整的表面。当选择Overset时，可以通过 TUI 命令 define/overset-interfaces/options/render-receptor-cells? 将受体单元与求解单元一起显示。

在云图对话框的Cell Info...类别中有一个Overset Cell Type函数可用。整数函数值取决于overset单元类型，如图3所示。

图4 overset单元类型云图显示

如果要显示孤立单元，则必须启用 TUI 命令 

define/overset-interfaces/options/render-receptor-cells?。

如果通过 define/overset-interfaces/options/expert? 启用了专家选项，那么还可以选择在 Cell Info... 下显示 Overset Donor Count 和 Overset Receptor Count。

在写出overset case文件时，建议您使用默认的通用流体格式 (CFF)，因为在这种格式中，overset域连接性保存在 .cas.h5 文件中。这使得在将overset case读入新会话时无需重新建立域连接，相比于传统的动网格方式，重叠网格有以下优势：

总而言之，重叠网格的最大特点就是让流体仿真变得更为简单和快捷，提高流体工程师的工作效率。