2382字！告诉你仿真前处理几何简化的秘诀（请收藏）

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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
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相信不少流体工程师在实际的仿真工作中都遇到过类似的问题：自动生成体网格之后，要么网格的扭曲度过高（通常是skewness>0.98），求解器难以接受；要么扭曲度符合要求，网格数量却又过大（大几百万或上千万），此时计算机硬件无法读入和计算，甚至有些干脆连网格都画不出来了。

图1 网格在相切的位置出现了大扭曲度的情况（skew>0.98）

那么，为什么会出现这样两种极端的情况呢？除了他们俩之外，有没有折中的办法可以选择呢？其实，出现这些问题的本质原因，实际上是几何简化的问题。

通常，当几何修复工作的几位“医生”下班之后，接下来就进入到几何简化的工作流程了。实际上，对比几何修复的工作，几何简化的工作要相对更为简单一些，因为我们只对修复好的实体进行操作，这样，出现操作错误的几率就会大大下降；使用的软件工具，也远远少于修复工作。

● 几何简化的前提条件：修复几何工作完成。

当然，对于一些特殊的情况，修复和简化可以交替进行。比如因为简化的需要，而修改一些特征，那就会采用“先删除、后修补”的办法来进行。

如果仿真区域需要大规模重建，（当然前提是重建的工作效率要远远高于逐步简化，比如有大量的复杂圆角需要删除）那么此时几何简化的工作似乎就可以省略掉了；当然，省掉的也包括修复的工作。

实际的仿真工作中，并不是所有的前处理都需要几何简化（和几何修复的），比如我们使用Fluent Meshing中的包裹功能（Wrap），它可以直接处理“脏”几何，同时也可以涵盖简化的部分功能。那么这些情况下，几何简化的思路就是另外一种情况了。

● 几何简化的对象

几何简化的对象是相对灵活的：大部分的时候是固体区域，因为这样最为合理，能够保证整个流程的正确性。比如说流固耦合换热问题，固体需要参加仿真，那就先简化固体区域，再抽取流场，这样流体与固体之间就不会出现干涉和缝隙；

其余小部分的情况直接简化流体区域，因为这样可以提高工作效率。经常出现在单实体流场问题中，因为固体表面上（不和流场接触的）很多细节是不需要包含在计算中的，简化也是做无用功。

图2 常见的几何简化（修复）方式

● 需要几何简化的场景
所有需要几何简化的场景都需要流体工程师进行权衡。所以这些问题的特征都是相对的，只有充分考量所有具备的条件之后，才能做出最优的选择。

场景一：几何中存在相对复杂的次要特征

CAE仿真的本质仍旧是工程，我们必须要将工作效率放在首位。过多的次要特征会极大的降低工作效率，而且这些复杂的特征对我们主要关注的区域，几乎不会产生任何影响。所以，原则上这一类特征是必须要简化掉的，而且通常不需要工程师进行额外的权衡。

图3 螺钉就是CFD仿真中最为常见的次要特征

场景二：主要关注区域的细节特征过于复杂这一类情况必须要首先权衡，是要保特征？还是要效率？当然，无论哪种选择都是有道理的，没有对错，只有是否合适。
对于这一类问题，通常是采用相对折中的方法，进行一些有限范围内的简化：如在圆角的处理过程中，半径小于某个数值的进行简化，大于的则保留；或者是在小的台阶、短边区域进行一些对齐操作，尺寸上也规定一个上限来限制，避免过多的破坏原始几何形状。

图4 复杂的重要区域是让工程师最为头疼的事情

场景三：流场中存在薄壁导流板薄壁导流板简称挡板，其主要作用是流场导向，终极目标是将流体区域的流动最高效的应用起来，以达到调整流动方向、降低涡流（回流）和压降、增强（尤其是高温）区域流动的目的。挡板的本质仍旧是三维实体，只是厚度远小于其他两个方向的尺度。因此，如果对该类薄壁几何划分三维网格将会极大的增加网格数量，从而导致效率较低。因此，对于这一类的几何通常采用抽取中面的简化方式，由三维实体直接转换为二维的壁面边界，从而达到减少网格数量的目的。
当然，即便是这种倾向性很大的情况，仍旧需要工程师先权衡需求，如果贸然将薄壁挡板简化为二维无厚度壁面，则有可能造成精度降低的结果。

图5 无厚度处理过的挡板

场景四：流体区域存在尖角如果流体区域的几何形状上存在尖角，那么无论采用何种网格都是无法壁面大扭曲度结果的，而且，任何一个大扭曲度的网格都会引发整个区域的非物理解，因此必须要简化流体尖角区域的几何。
对于尖角的简化方法，实际上更为简单和直接，那就是切掉尖角处的几何，如下图所示。切割后的边界通常都相互垂直，因此几乎不会再发生大扭曲度网格的情况了。

图6 尖角区域

图7 切割后的尖角区域

从实际的物理情况上看，切割掉这些尖尖的区域也是有充分理由的。根据粘性流体的基本假设，壁面附近的流体速度为0，尖角附近的流体本身距离各个壁面都很近，因此流动性差，流阻大，速度也几乎都是0。因此去除掉一部分速度全0的区域是对仿真影响很小的。
这一类尖角的情况通常也不需要权衡，直接处理掉即可。
场景五：存在不易发现的狭缝
如果是流体区域本身就是狭缝，那恐怕也没有太多的办法去简化，只能用较多的网格去填满缝隙，否则精度就会受损。
但是实际的几何之中，往往存在着很多不易被发现的狭缝，如下图所示。这一类的缝隙如果不好好处理的话，就会出现“网格不是太多就是太尖”的情况。

图8 不易被发现的面内狭缝

图9 对于面内狭缝，如果网格数量少，则质量很差

图10 如果网格质量好，则数量很多

对于这些狭缝，通常处理的方法有以下两种：

1、网格工具中的defeature忽略特征工具。当忽略的数值大于狭缝的宽度时，该狭缝将被忽略，被忽略的区域将被更为光滑的几何代替，从而避免出现大扭曲度的网格。
2、几何直接处理狭缝。如果担心上面特征忽略的办法会产生不可控的结果时，可以按照想定的目标进行几何修改。当然，类似的几何直接修改会相对复杂一些，难度也更大。
实际上，我们还有许许多多需要几何简化的场景，如固体区域存在尖角、边界相切等，本文限于篇幅暂不做介绍。
总而言之，如果我们能够妥善完成几何简化的工作，那么就一定可以找到一条折中的路线，从而逃离“网格不是太尖就是太多”的窘境。

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