笛卡爾網(wǎng)格比非正交網(wǎng)格具有更高的網(wǎng)格質(zhì)量。與笛卡兒網(wǎng)格差異(也就是更大角度的扭曲)越大的非正交網(wǎng)格,其網(wǎng)格質(zhì)量方面的“降低”也越明顯。
網(wǎng)格質(zhì)量是進行 CFD 分析時,選擇網(wǎng)格系統(tǒng)所著重考慮的方面。網(wǎng)格形狀(特別是正交性網(wǎng)格的扭曲)對于有限體積法微分方程推導(dǎo)假設(shè)和求解結(jié)果方法有很大的影響。
附錄 1 對最核心的問題進行了詳細的闡述。其中考慮了有限體積方程中的兩個典型項,它們描述了穿過網(wǎng)格面的擴散通量以及作為某一方向上速度源的壓力梯度。
對高度非正交網(wǎng)格中的這兩項推導(dǎo)進行了推導(dǎo)。最需要注意的一點是,非正交網(wǎng)格會比笛卡兒網(wǎng)格多產(chǎn)生一個“二次”項。附錄 1 考慮了兩維的情況,對于每一種考慮的方法僅僅出現(xiàn)了兩項。然而,在完全三維的情況中,對于非正交網(wǎng)格的推導(dǎo)會比笛卡兒網(wǎng)格產(chǎn)生幾倍的“二次”項。
這些”二次”項的出現(xiàn)會產(chǎn)生很多后果:
■ 更多的計算時間€€€€”二次”項的計算需要耗費更多的計算時間。由于需要很多項將非正交網(wǎng)格描述成類似笛卡兒網(wǎng)格,所以可能需要幾倍的時間,并且由于計算在求解的過程中迭代進行,所以對時間的影響很大。
■ 更多的存儲空間€€€€這可能是最主要的影響。通常情況下都要對關(guān)于每一個非正交網(wǎng)格主要幾何參數(shù)進行存儲(而不是連續(xù)的進行計算)。這就是為什么非結(jié)構(gòu)化的六面體或四面體網(wǎng)格比笛卡兒網(wǎng)格需要更多的計算存儲空間。實際上在大型復(fù)雜計算的過程中,這已成為這種方法(非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格)使用的限制。
■ 降低精度和減少迭代求解的強壯性€€€€為了計算這些”二次”項引入了輔助的“cross-linkages”。也就是說不是僅僅兩個位置的溫度被用于熱流的計算,遠處其它位置的溫度也會被用于熱流的計算。這會有兩個后果:
(1)引入額外的錯誤€€€€這就意味著,在所有其它條件相同的情況下,高度非正交網(wǎng)格要比正交網(wǎng)格的計算精度低。換而言之,要實現(xiàn)相同的數(shù)值計算精度,非正交網(wǎng)格比正交網(wǎng)格需要更細密。
(2)第二個影響方面是有限體積方程系統(tǒng)的收斂穩(wěn)定性。由于在迭代計算過程中幾乎無法直接處理”二次”項,所以使它們具有很大的主導(dǎo)性,從而使迭代求解的可靠性變差,可能會出現(xiàn)不可靠的收斂或發(fā)散。
這些非正交網(wǎng)格的缺點會隨著網(wǎng)格扭曲(非正交性)的增大而變得更明顯。所以其結(jié)果嚴重的依賴于實際的應(yīng)用問題。至此,非正交網(wǎng)格的不利影響已經(jīng)被闡述,并且很好被了解。
這就是為什么:
■ CFD 的使用者盡可能的要采用笛卡兒網(wǎng)格系統(tǒng),或其它的正交網(wǎng)格系統(tǒng)。
■ 非正交網(wǎng)格系統(tǒng)的用戶被要求去阻止差質(zhì)量網(wǎng)格的產(chǎn)生,通常需要對自動生成的網(wǎng)格進行手動的“調(diào)整”,這成為整個 CFD 分析過程中最為耗時的工作。
2.2 非矩形幾何體的描述
如果笛卡兒網(wǎng)格的優(yōu)點是那么明顯,那么 CFD 的使用者為何還要使用非正交網(wǎng)格。
這主要是由于復(fù)雜系統(tǒng)的需要,特別是那些非矩形的固體邊界。
正是由于這個原因,非正交網(wǎng)格系統(tǒng)在機翼等物理外形的貼合方面具有很大的優(yōu)勢,它可以使網(wǎng)格面與物理邊界很好的貼合。
然而,在過去十年出現(xiàn)了一些不錯的新方法。其中就采用笛卡兒網(wǎng)格,并且非矩形固體形狀可以以任意形式穿過網(wǎng)格。在網(wǎng)格中出現(xiàn)的固體采用合適的“cut-cell”技術(shù)進行描述。
這種方法的優(yōu)點:
■ 可以確保良好的網(wǎng)格質(zhì)量,具體的方面先前已經(jīng)闡述
■ 可以避免在自動生成網(wǎng)格之后,再進行手動調(diào)整
■ 對于耦合熱交換問題,包擴固體區(qū)域內(nèi)存在流動的導(dǎo)熱和流體的熱交換(常出現(xiàn)在電子散熱領(lǐng)域),由于需要進行耦合求解,很自然網(wǎng)格系統(tǒng)會覆蓋流體和固體區(qū)域。
對于復(fù)雜幾何外形地問題有不少相關(guān)經(jīng)驗。以下引用了四個相關(guān)地例子:
1Patankar 和其同事
Patankar 和其同事所做地工作
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