动网格生成技术及非定常计算方法进展综述
张来平;邓小刚;张涵信
【期刊名称】《力学进展》
【年(卷),期】2010(040)004
【摘要】对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作.
【总页数】24页(P424-447)
【作者】张来平;邓小刚;张涵信
【作者单位】空气动力学国家重点实验室,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000;空气动力学国家重点实验室,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000
【正文语种】中文
【相关文献】
1.定常多相位与非定常计算方法在双吸离心泵数值模拟中的应用 [J], 胡乐;张淑佳;毛鹏展;徐铖
2.用改进非结构动网格方法模拟跨音速非定常绕流 [J], 王军利;周洲
3.基于非结构动网格的非定常激波装配法 [J], 刘君;邹东阳;徐春光
4.预处理法求解定常/非定常混合网格的全速流场 [J], 肖天航;昂海松;余少志;王旭刚;段文博
5.动态混合网格生成及隐式非定常计算方法 [J], 张来平;王志坚;张涵信
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FLUENT在水下应用中的技术优势北京海基科技有限责任公司
目录 1．水下项目的主要技术挑战 (3) 2．FLUENT软件在水下问题的技术优势 (3) 2.1 水下问题对CFD软件的需求 (3) 2.2 FLUENT软件在水下问题的技术优势 (3) 2.2.1 FLUENT软件先进的网格技术 (3) 2.2.2 FLUENT软件中先进的求解技术 (4) 2.2.2.1 压力基求解方法 (4) 2.2.2.2 压力基的耦合求解器 (5) 2.2.2.3 密度基求解方法 (5) 2.2.3 FLUENT软件中博采众长的物理模型 (5) 2.2.3.1 FLUENT中的动网格模型 (5) 2.2.3.2 FLUENT软件中的六自由度模型 (6) 2.2.3.3 FLUENT中混合分数多相流模型和气蚀模型 (6) 2.2.3.4 FLUENT软件中丰富的自由表面模型 (6) 2.2.3.5 FLUENT软件中丰富的辐射传热模型 (6) 2.2.3.6 FLUENT软件中的噪声模型 (7) 2.2.3.7 FLUENT软件中的离散相模型 (7) 2.2.3.8 FLUENT软件中的欧拉多相流模型 (7) 3 FLUENT、CFX、FASTRAN软件的比较 (8) 3.1 前处理器比较 (8) 3.2 求解器比较 (8) 4．FLUENT在水下应用算例 (10) 4.1 潜艇入坞模拟 (10) 4.2 水力推进器空泡模拟 (10) 4.3 翼型空泡模拟 (11) 4.4 弹头入水模拟 (11) 4.5 三维弹体动态空泡模拟 (12)
1．水下项目的主要技术挑战 由于浩瀚的海洋占据地球表面的绝大部分，辽阔的水域提供极好的隐蔽性，并且可以活动的空间巨大，水下武器或从水下发射的武器一直是各国军方研究的重点装备。但水下装备的开发和使用相对复杂，因此，目前采用现代CFD技术模拟水下装备就变得非常重要，但在模拟水下问题时通常会遇到以下技术挑战。 空泡模拟：当水下装备告诉运动时，会产生空泡，由于两相间的传热、传质、以及两相间密度达100倍的差距，导致空泡模拟的稳定性、收敛性变差，因此空泡模拟一直是CFD 模拟的一个相对困难得问题。 人工加气空泡：一般而言，空泡会改变弹体在水下的受力，可能使弹体运动的稳定性、以及运动的可控性变差，但如果设计合适，可以有效的利用空泡，来降低阻力，如人工加气可以诱发空泡的形成。模拟人工加气空泡是一个三相流问题，因此比单纯模拟空泡问题更为复杂。 姿态连续变化的模拟：弹体在水下运动过程中其姿态不断变化，姿态的变化会引起空泡形态的变化。在CFD技术中通常采用动网格技术来模拟姿态的变化。而且在模拟空泡时必须同时考虑姿态变化。这会使模拟变得更为复杂。 2．FLUENT软件在水下问题的技术优势 2.1 水下问题对CFD软件的需求 水下问题的数值模拟分析有其典型的特征：几何结构繁琐、物理过程复杂。因此对现有的商业CFD软件提出了挑战，由于实际的弹体结构形状复杂，如果做出过多的几何简化将使分析结果失真；同时，模拟过程包含空化、相变、多相流动、流体与结构的耦合等复杂的物理过程。因此，它要求CFD软件具有专门针对水下问题的物理模型。 2.2 FLUENT软件在水下问题的技术优势 FLUENT软件是顶级的CFD软件，它的前处理器GAMBIT简单易用，而且可以处理及其复杂的几何结构，因此可以满足水下问题对前处理的特殊需求；它的求解器包含及其丰富的物理模型，可以模拟水下问题复杂的物理过程。 2.2.1 FLUENT软件先进的网格技术 Fluent公司在其强大的财力与研发投入下，非结构化网格能力远远领先其竞争对手。GAMBIT能够针对极其复杂的几何外形生成三维四面体、六面体的非结构化网格，有数十
Remeshing方法中的一些参数设定：Remeshing中的参数Minimum length scale和Maximum Length Scale，这两个参数你可以参考mesh scale info中的值，仅是参考,因为mesh scale info中的值是整个网格的评价值，设置的时候看一下动网格附近的网格和整个网格区域的大小比较，然后确定这两个参数，一般来讲，动网格附近的网格较密，这些值都比整体的小，所以在设置时通常设置为比mesh scale info中的Minimum length scale大一点，比Maximum Length Scale小一点。 以上是一般来讲的设置思路。下面是我在NACA0012翼型动网格例子中的设置： Remeshing中的参数设定： 为了得到较好的网格更新，本例在使用局部网格重新划分方法时,使用尺寸函数,也就是Remeshing+Must Improve Skewness+Size Function的策略。 将Minimum Length Scale及Maximum Length Scale均设置为0，为了使所有的区域都被标记重新划分； Maximum Cell Skewness（最大单元畸变)，参考Mesh Scale Info…中的参考值0.51，将其设定为0。4,以保证更新后的单元质量； Size Remesh Interval（依照尺寸标准重新划分的间隔），将这个值设定为1，在FLUENT,不满足最大网格畸变的网格在每个时间步都会被标记,而后重新划分，而不满足最小，最大及尺寸函数的网格，只有在Current Time=（Size Remesh Interval）＊delta t的时候，才根据这些尺寸的标准标记不合格的单元进行重新划分,为了保证每步的更新质量，将其修改为1，就是每个时间都根据尺寸的标准标记及更新网格. Size Function Resolution(尺寸函数分辨率)，保持默认的3; Size Function Variation（尺寸函数变量）：建议使用一个小值，在0.1到0。5之间，本例将其设置为0.3；Size Function Rate（尺寸函数变化率）,保持默认的0.3。 动网格(dynamic mesh)是CFD中专有的概念。由于当前流体计算多采用欧拉坐标系，该坐标系区别于拉格朗日坐标系的一个最直观特点是:计算过程中网格保持静止.因此，在CFD计算中应用动网格，具有其特别的难处。 1、动网格控制方式 最主要的困难在于边界运动后的网格质量控制。由于边界的运动,不可避免的导致网格变形。我们知道，求解器对于网格质量的容忍是有限度的。当网格扭曲过大引起网格质量的急剧下降，可能导致计算发散、形成负网格，进而终止计算。因此，在边界运动过程中，对网格质量进行控制尤为重要。在fluent软件中动网格主要有三种控制方式：smoothing，layering，remeshing.其中layering主要应用与四边形网格及六面体网格，remeshing主要应用于三角形网格及四面体网格等费结构网格中，至于smoothing方法则在各类网格中均可应用。 layering方法应用于结构网格也是有条件限制的：边界运动最好是沿着某单一方向。如若是旋转，最好还是采用非结构网格配合remeshing方式。 非结构网格是最适合应用动网格模型的,但是网格质量不好控制，通常需要仔细调节。结构网格采用layering 方法,能够很好的控制网格质量，但是几何适应性差。具体采用何种网格类型以及何种控制方式,还是要从实
fluent 目录 简介 基本特点 优点 其他相关 编辑本段简介 CFD商业软件介绍之一——Fluent 通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。 编辑本段基本特点 FLUENT软件具有以下特点： ☆FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法； ☆定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能； ☆FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题； ☆FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术； ☆FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；
☆FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-ω模型组、k-ε模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型； ☆适用于牛顿流体、非牛顿流体； ☆含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射； ☆化学组份的混合/反应； ☆自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型； ☆融化溶化/凝固；蒸发/冷凝相变模型； ☆离散相的拉格朗日跟踪计算； ☆非均质渗透性、惯性阻抗、固体热传导，多孔介质模型（考虑多孔介质压力突变）； ☆风扇，散热器，以热交换器为对象的集中参数模型； ☆惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格； ☆动静翼相互作用模型化后的接续界面； ☆基于精细流场解算的预测流体噪声的声学模型； ☆质量、动量、热、化学组份的体积源项； ☆丰富的物性参数的数据库； ☆磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题； ☆连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题； ☆高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算； ☆FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）； ☆FLUENT软件采用C/C++语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。 在CFD软件中, Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于"CFD计算机软件群的概念" ,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International(FID)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司),因此Fluent软件具有如下优点 编辑本段优点 (1 )功能强,适用面广。包括各种优化物理模型,如:计算流体流动和热传导模型(包括自然对流、定常和非定常流动,层流,湍流,紊流,不可压缩和可压缩流动,周期流,旋转流及时间相关流等) ;辐射模型,相变模型,离散相变模型,多相流模型及化学组分输运和反应流模型等。对每一种物理问题的流动特点,有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。 (2 )高效,省时。Fluent将不同领域的计算软件组合起来,成为CFD计算机软件群,软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研
动网格技术之超限插值 动网格技术简介： 应用背景：非定常流动（单个物体做刚性运动、多体相对运动和变形） [动态网格生成技术及非定常计算方法综述-张来平2010] 技术方式分类：网格重构、网格变形（结构、非结构网格） [RBF_TFI 结构动网格技术在风洞静气动弹性修正中的应用-孙岩2014] TFI （超限插值方法）: 发展背景：Gordon 提出，Eriksson 首次将TFI 应用于CFD 计算，Gaitonde 和Sprekreijse 改进， B. K. Soni 提出基于弧长的超限插值法。国内，将TFI 与多种方法结合进行改进，如加权TFI 动网格生成方法、弹簧－TFI 混合动网格技术、RBF_TFI 结构动网格方法。。。 [Generation of Boundary-Conforming Grids Around Wing-BodyConfigurations Using Transfinite Interpolation-L. E. Eriksson*] [TWO- AND THREE-DIMENSIONAL GRID GENERATION FORINTERNAL FLOW APPLICATIONS OF COMPUTATIONAL FLUID DYNAM-B. K. Sonin] [非定常流动数值模拟及飞行器动态特性分析研究-袁先旭](未读)[动网格生成技术-史忠军] [带旋转修正的弹簧ＴＦＩ－混合动网格方法-张兵，韩景龙](未读) 方法简介： 超限插值方法的基本思想是：保持外边界静止，物面边界由物体运动规律得到，内场网格由超限插值的代数方法生成。但一般不采用新的物面重新生成计算网格，这需要花费大量的时间。可行的办法是借助于初始网格数据.使用插值或迭代方法使网格接到边界的距离比例或按原来的稀疏比例重新分布。特点算法：简单、生成网格速度很快，对于较规则区域，TFI 法得到的网格效果也令人满意。 超限插值：根据边界点的信息，插值得到内部点的信息（在这里指的是边界点的物理坐标）。 其中，调和函数反应边界点影响内点的方式。[网格生成技术指无线插值法] 101010(,,)(,,)()(,,)(,,)()(,,)(,,)()(,,)n L P n i i n i n n M O j m j n j m n N R l k k n k l X U X V X W X U V W x h V x h V a x x x h V x h V b x h x h V x h V g x x x h V ======ìï¶ï=ïï¶ïïïï¶ï=íï¶ïïïï¶ï=ïï¶ïî =排邋邋邋 线性分布TFI （边界点计算坐标位置对内点的影响）
高速流体力学中的网格生成与优化技术 近年来，高速流体力学中的网格生成与优化技术受到了研究人 员的广泛关注。由于高速流体力学的特殊性质，在求解流场的过 程中，非常重要的一步就是针对计算区域的几何特征进行网格生 成与优化，以确保计算结果的准确性和可靠性。 高速流体力学中流场具有高速、高温、高压等特殊性质，对数 值计算模型的精度和稳定性要求很高。同时，高速流体力学的计 算区域通常具有复杂的几何形状，在对计算区域进行网格划分时，要确保网格的质量和密度均匀性。因此，网格生成与优化技术在 高速流体力学中具有重要意义。 网格生成与优化技术可以分为三个阶段，分别是前处理阶段、 求解阶段和后处理阶段。其中，前处理阶段主要是对计算区域进 行网格生成与优化，求解阶段是对流场进行数值模拟计算，后处 理阶段则是对计算结果进行处理和分析。 在前处理阶段，网格生成与优化技术旨在产生最适合数值模拟 的网格。一些经典的网格生成方法包括结构式网格生成方法、非 结构式网格生成方法和混合式网格生成方法。其中，结构式网格 生成方法生成的网格结构简单，适用于较简单的几何形状；非结
构式网格生成方法可以应用于更为复杂的计算区域，但由于其网 格结构较为复杂，对计算资源的要求较高；混合式网格生成方法 则将上述两种方法相结合，兼具了两者的优点，适用于大部分计 算区域。 在网格生成的过程中，还需要考虑网格质量的问题。网格质量 的优劣对数值模拟的精度和稳定性具有很大的影响。目前，常用 的网格优化方法包括达拉伯勒变换法、Laplace算子法、梯度坐标 法等。这些方法可以对网格进行优化，使得网格的质量更加优良。 在求解阶段，基于已经生成的网格进行数值模拟计算。目前常 用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法、有限元法等。 这些方法都是基于数值计算原理，将流动控制方程式离散化后， 通过数值解算的方法进行计算。由于高速流体力学的数值模拟具 有高精度、高稳定性等优点，在工程领域中得到了广泛应用。 在后处理阶段，主要是对求解结果进行处理和分析，以获得有 用的信息。一般来说，后处理的工作包括数据的可视化、数据的 处理与分析等。针对高速流体力学的后处理技术，目前主要是基 于计算流体力学(CFD)软件，使用Python、Matlab等语言进行数据处理与分析。
CFD网格及其生成方法概述 作者：王福军 网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需时间常常大于实际CFD计算的时间。因此，有必要对网格生成方式给以足够的关注。 1 网格类型 网格（grid）分为结构网格和非结构网格两大类。结构网格即网格中节点排列有序、邻点间的关系明确，如图1所示。对一于复杂的儿何区域，结构网格是分块构造的，这就形成了块结构网格（block-structured grids）。图2是块结构网格实例。 图1 结构网格实例 图2 块结构网格实例 与结构网格不同，在非结构网格（unstructured grid）中，节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名。图3是非结构网格示例。这种网格虽然生成过程比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题特别有效。非结构网格一般通过专门的
程序或软件来生成。 图3 非结构网格实例 2 网格单元的分类 单元（cell）是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的ZD网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。而在非结构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元，3D 网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元还可分为棱锥形（或楔形）和金字塔形单元等。图4和图5分别示出了常用的2D和3D网格单元。 图4 常用的2D网格单元 图5 常用的3D网格单元
3 单连域与多连域网格 网格区域（cell zone）分为单连域和多连域两类。所谓单连域是指求解区域边界线内不包含有非求解区域的情形。单连域内的任何封闭曲线都能连续地收缩至点而不越过其边界。如果在求解区域内包含有非求解区域，则称该求解区域为多连域。所有的绕流流动，都属于典型的多连域问题，如机翼的绕流，水轮机或水泵内单个叶片或一组叶片的绕流等。图2及图3均是多连域的例子。 对于绕流问题的多连域内的网格，有O型和C型两种。O型网格像一个变形的圆，一圈一圈地包围着翼型，最外层网格线上可以取来流的条件，如图6所示。C型网格则像一个变形的C字，围在翼型的外面，如图7所示。这两种网格部属于结构网格。 图6 O型网格 图7 C型网格 4 生成网格的过程
预处理方法在混合笛卡尔网格中的应用研究 干雨新;赵宁 【摘要】使用基于混合笛卡尔网格的预处理方法,对低马赫数下的定常/非定常流动问题进行了数值模拟研究.网格生成中,在物面附近生成贴体结构网格,其余计算区域使用笛卡尔网格进行填充,两套网格之间通过查找"贡献单元"实现流场数据间的传递.同时,使用基于密度的预处理方法,发展了一套可求解从低速(极低马赫数)到常规马赫数的N-S方程求解器,时间离散使用隐式双时间步LU-SGS格式,空间离散使用具有二阶精度的格心格式有限体积方法.非定常流动问题的数值模拟过程中,使用逆距离插值来进行新现网格单元上流场参数确定.通过对NACA0012翼型在低马赫数下的定常绕流和动态失速问题的数值模拟研究表明:使用预处理方法能够加快低马赫数下数值计算的收敛速度和提高计算的准确性,基于混合笛卡尔网格的N-S方程求解器能够模拟包含运动边界的低速不可压非定常流动问题.耦合预处理技术的混合笛卡尔网格方法给包含低速和常规马赫数的复杂运动边界问题的求解提供了新的思路. 【期刊名称】《空气动力学学报》 【年(卷),期】2018(036)004 【总页数】7页(P651-657) 【关键词】混合笛卡尔网格;预处理方法;非定常流动;动态失速 【作者】干雨新;赵宁 【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京 210016;南京航空航天大学航空宇航学院,江苏南京 210016
【正文语种】中文 【中图分类】V211.3 0 引言 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，数值模拟方法成为了人们科学研究的重要热点。在流体力学领域，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)也 成为了一门新兴且热门的学科。使用CFD方法进行数值模拟，对计算区域的空间 离散即网格生成技术是关键。网格质量的好与坏，对计算结果的影响非常大，尤其是对于复杂外形的网格生成，即便对于一名熟练掌握网格生成技术的学者也是一件耗时耗力的事情。笛卡尔网格[1]应运而生，其相比于传统的贴体网格，具有网格 结构简单、便于自动化生成、人工干预少、实现自适应容易等优点，尤其是善于处理多物体和复杂几何外形的网格生成问题。对于N-S方程的求解，考虑流体的黏 性作用，需要生成极薄的附面层网格。传统的浸入边界的各向同性笛卡尔网格方法，考虑到附面层网格的厚度，需要在附面层里布置大量的小尺度网格单元，这大大增加了网格数量(尤其对于三维问题布置的大长宽比六面体单元而言)。所以，在计算物体周围生成贴体的附面层结构网格，而在其他计算区域用笛卡尔网格填充的混合笛卡尔网格[2]成为了一种有效的解决问题的手段。含有重叠区域的混合网格的难 点在于混合网格的生成以及重叠区域的处理，Wang[3]使用重叠自适应笛卡尔网 格模拟了固定和运动边界的流动问题；张来平等人[4]对于结构非结构和笛卡尔的 混合动网格技术进行了深入的研究；肖天航等[5]则应用变形重叠网格对非定常流 动进行了数值模拟。 通常认为，马赫数低于0.3的流动问题，属于不可压流动问题。对于不可压N-S 方程的求解，直接采用可压缩N-S方程求解的基于密度的方法由于速度过低，会
1. 网格生成技术 数值模拟流体运动时，首先将流动区域离散成一定形状的网格，然后在网格节点上求解离散化的控制方程。数值模拟的计算精度既与控制方程的离散格式的精度密切相关，也与网格结构和分布有关，为了尽量减少计算误差，保证解的稳定性，生成的网格至少满足下面的一些原则： ①网格的贴体性。计算网格应准确反映流动区域的边界形状，并且要能较容易的引入边界条件。 ②网格的疏密变化。在物理梯度大的地方，网格要密些，以提高对流动结构的捕捉能力，搞高数值模拟的精度。另外，由于在数值模拟之前，人们对流动结构的主要特征不甚了然，如哪此地方会出现旋涡，水跃、激波会产生在什么地方等，因此，计算网格最好能根据计算结果的变化而进行调整，即网格具有自适应性。 由于流动边界和流体运动结构的复杂性，自动生成复杂流场的理想分布网格相当困难，网格生成所费人力也很高，即使在计算流体力学高度发展的国家，网格生成仍占一个计算任务全部人力时间的60%～80%，因此，网格生成技术成为了CFD（计算流体力学）中一个独立的分支，网格生成技术也是CFD中最活跃的研究领域之一。目前，网格生成方法很多，根据网格拓扑结构可分为两大类：即结构网格和非结构网格。
1.1结构网格的生成 结构网格中网格节点与邻点相连，连方式与节点的位置无关，如二维空间中的矩形网格、三维空间中的六面体网格。对于简单的计算区域，很容易进行结构网格的剖分，对于复杂的流动区域，尽管可以采用阶梯形网格对边界进行近似处理，但是这种处理通用性差，且会影响计算精度，为解决这个问题，人们一般采用坐标变换技术生成计算网格。 坐标变换生成计算网格又称贴体坐标技术，其基本思想是通过数学变换将复杂的物理区域变换到规则的计算空间中，物理空间和计算空间一一对应。目前生成贴体拟合坐标的方法可以分成代数变换和偏微分方程变换两大类。代数变换网格生成是用代数公式，一般为显示，给出物理区域和计算区域之间的对应关系，常用的方法有保角变换（conformal mapping）、剪切变换(shearing transformation)和Hermit变换等。代数变换网格生成方法应用范围有限，其原因是对于复杂的计算区域，代数变换较难实现，边界附近的节点控制也十分困难。偏微分方程方法用微分方程将不规则区域变换成规则区域，其通用性较好，又有生成的网格均匀、网格疏密易于控制等优点，由此得到了普遍的应用。 Winslow于1967年提出用偏微分方程生成计算网格的思想，后来，Thompson，Thomas和Mastin对这一方法进行了全面而系统的研究，提出了著名的TTM方法。在TTM方法中，计算网格控制方程中源项的各控制参数的选取没有一定之规，具体参数的选取与研究者
动网格生成技术及非定常计算方法进展综述 张来平;邓小刚;张涵信 【期刊名称】《力学进展》 【年(卷),期】2010(040)004 【摘要】对应用于飞行器非定常运动的数值计算方法(包括动态网格技术和相应的数值离散格式)进行了综述.根据网格拓扑结构的不同,重点论述了基于结构网格的非定常计算方法和基于非结构/混合网格的非定常计算方法,比较了各种方法的优缺点.在基于结构网格的非定常计算方法中,重点介绍了刚性运动网格技术、超限插值动态网格技术、重叠动网格技术、滑移动网格技术等动态结构网格生成方法,同时介绍了惯性系和非惯性系下的控制方程,讨论了非定常时间离散方法、动网格计算的几何守恒律等问题.在基于非结构/混合网格的非定常计算方法中,重点介绍了重叠非结构动网格技术、重构非结构动网格技术、变形非结构动网格技术以及变形/重构耦合动态混合网格技术等方法,以及相应的计算格式,包括非定常时间离散、几何守恒律计算方法、可压缩和不可压缩非定常流动的计算方法、各种加速收敛技术等.在介绍国内外进展的同时,介绍了作者在动态混合网格生成技术和相应的非定常方法方面的研究与应用工作. 【总页数】24页(P424-447) 【作者】张来平;邓小刚;张涵信 【作者单位】空气动力学国家重点实验室,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000;空气动力学国家重点实验室,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,绵阳,621000
【正文语种】中文 【相关文献】 1.定常多相位与非定常计算方法在双吸离心泵数值模拟中的应用 [J], 胡乐;张淑佳;毛鹏展;徐铖 2.用改进非结构动网格方法模拟跨音速非定常绕流 [J], 王军利;周洲 3.基于非结构动网格的非定常激波装配法 [J], 刘君;邹东阳;徐春光 4.预处理法求解定常/非定常混合网格的全速流场 [J], 肖天航;昂海松;余少志;王旭刚;段文博 5.动态混合网格生成及隐式非定常计算方法 [J], 张来平;王志坚;张涵信 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
计算流体力学模拟中的网格生成方法及 优化 概述: 计算流体力学（CFD）模拟是一种通过数值计算方法来模拟流 体力学问题的技术。在进行CFD模拟时，一个重要的步骤是生成 适合模拟的网格。网格的质量和适应性对CFD模拟的准确性和计 算效率具有重要影响。本文将介绍计算流体力学模拟中常用的网 格生成方法以及优化措施。 一、网格生成方法: 1. 结构化网格生成方法: 结构化网格生成方法是一种将空间分割成规则拓扑结构的网格 生成方法。它的主要优点是适用于几何较简单的模型，计算速度 较快。常见的结构化网格生成方法包括直线加密法、均匀加密法、双曲型加密法等。 2. 非结构化网格生成方法: 非结构化网格生成方法是一种将空间划分成不规则形状的网格 的生成方法。它适用于几何较复杂的模型，并且在处理流动现象
中的复杂几何和边界条件时更具优势。在非结构化网格生成中， 常用的方法包括三角形剖分法、四面体剖分法和网格点移动法等。 3. 自适应网格生成方法: 自适应网格生成方法是一种根据计算区域中流场的变化来调整 网格的分布和密度的方法。通过自适应网格生成方法，可以将网 格精细化于流场变化较大的区域，从而提高模拟的准确性和精度。常用的自适应网格生成方法包括几何适应方法和解适应方法等。 二、网格优化措施: 1. 网格质量优化: 网格质量对CFD模拟的准确性和计算效率具有重要影响。因此，在网格生成后，通常需要进行网格质量优化。常见的网格质 量指标包括网格形状、网格扭曲度、网格尺寸、网格变形等。通 过调整网格节点的位置或调整连接节点的几何关系，可以优化网 格的质量。 2. 网格适应性优化: 为了更好地模拟流场中的局部细节，对于具有复杂边界条件的CFD模拟，网格适应性优化非常重要。通过根据流场的局部变化 来调整网格的分布和密度，可以提高模拟的准确性和计算效率。
计算流体动力学中网格生成技术的发展 计算流体动力学作为计算机科学、流体力学、偏微分方程数学理论、计算几何、数 值分析等学科的交叉融合，它的发展除依赖于这些学科的发展外，更直接表现于对网格生成技术、数值计算方法发展的依赖。 在计算流体动力学中，按照一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格（Grid） ，分布这些网格节点的过程叫网格生成（Grid Generation）。网格生成对CFD至关重要， 直接关系到CFD计算问题的成败。1974年Thompson等提出采用求解椭圆型方程方法生成贴体 网格，在网格生成技术的发展中起到了开创作用。随后Steger等又提出采用求解双曲型方程方法生成贴体网格。但直到二十世纪八十年代中期，相比于计算格式和方法的飞跃发展，网格生成技术未能与之保持同步发展。因而从二十世纪八十年代开始，各国计算流体和工业界都十分重视网格生成技术的研究。二十世纪九十年代以来迅速发展的非结构网格和自适应笛卡尔网格等方法，使复杂外形的网格生成技术呈现出了更加繁荣发展的局面。现在网格生成技术已经发展成为CFD的一个重要分支，它也是计算流体动力学近二十年来一个 取得较大进展的领域。也正是网格生成技术的迅速发展，才实现了流场解的高质量，使工业界能够将CFD的研究成果——求解Euler/NS方程方法应用于型号设计中。 随着CFD在实际工程设计中的深入应用，所面临的几何外形和流场变得越来越复杂，网格生成作为整个计算分析过程中的首要部分，也变得越来越困难，它所需的人力时间已达到一个计算任务全部人力时间的60%左右。在网格生成这一“瓶颈”没有消除之前，快速 地对新外形进行流体力学分析，和对新模型的实验结果进行比较分析还无法实现。尽管现在已有一些比较先进的网格生成软件，如ICEM、Gridgen、Gambit等等，但是对一个复杂的 新外形要生成一套比较合适的网格，其需要的时间还是比较长，而对于设计新外形的工程人员来说，一两天是他们可以接受的对新外形进行一次分析的最大周期。CFD已经成功地缩 短了新外形设计中所需要的风洞实验时间，但在CFD对任意外形成为一种适时的分析工具以 前，新外形设计中所需要的风洞实验时间依然非常巨大。要将CFD从专业的研究团体中脱离 出来，并且能让工程设计人员应用到实际的设计中去，就必须首先解决网格生成的自动化、即时性问题，R.Consner等人在他们的一篇文章中，详细地讨论了这些方面的问题，并提出：CFD研究人员的关键问题是“你能把整个设计周期缩短多少天？”。而缩短设计周期的主要途径就是缩短网格生成时间和流场计算时间。因此，生成复杂外形网格的自动化和及时性已成为应用空气动力学、计算流体力学最具挑战性的任务之一。 当今，有众多研究人员对复杂外形的网格生成技术从分区结构网格、非结构网格和 笛卡尔网格三个不同的方向展开研究。 1．2．1分区结构网格方法 分区结构网格方法将原始的物理区域按不同的空间拓扑结构分成若干区域块，每个 单块网格的拓扑结构简单，易于生成贴体网格，然后合并这些单域贴体网格来形成复杂外形的空间网格。常用的传统单域贴体网格生成方法可分为代数网格生成方法、求解椭圆微分方程生成方法和求解双曲微分方程生成方法，以及从求解椭圆微分方程生成方法发展而
多段翼型非定常地面效应数值模拟 朱一西;陆志良;郭同庆 【摘要】The unsteady ground effect of a multi-element airfoil during its taking off and land-ing has been studied.For the airfoil’s large displacement,a strategy that mesh around airfoil should be kept in rigid motion with the airfoil is proposed.Besides,a simple and practical mesh reconstruction method based on moving mesh has been adopted to preserve the grid quality.Fur-thermore,the Navier-Stokes equations in arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)frame have been solved to simulate the unsteady flows around the airfoil close to the ground.Both NACA0012 and GAW-(1)two-element airfoil in uniform down have been computed out of ground effect,and the results are in agreement with calculations of the corresponding quasi-steady cases.As GAW-(1) two-element airfoil approaches the ground,the unsteady ground effect has been investigated. Computations indicate that the lift of the multielement airfoil decreases as it gets close to the ground.Besides,the results are compared with the quasi-ste ady (add the equivalent attack angle to airfoil’s attack angle)ones,which show that unsteady ground effect is first less then greater than the quasi-steady one as the height between airfoil and ground decreases.%发展了一种多段翼型着陆、起飞过程中非定常地面效应的数值模拟方法。针对着陆过程中翼型大位移运动问题，提出尽量保持翼型周围和尾迹区域网格随翼型做刚体运动的动网格策略，并采用一种简单的网格重构方法以保证翼型在整个下降过程中具有合理的网格分布。进一步建立起多段翼型非定常地面效
在固体有限元计算中，网格运动实非什么稀奇事儿。而且在绝多数固体计算的基本物理量是网格的节点位移，所以，固体计算中，网格节点运动是对的，没有运动反而不正常了。也可以这么说：正因为计算域内部节点间的相对运动，才导致了内应力的产生。 流体计算与固体完全不同。其根源在于它们使用的网格类型不同。当前固体有限元计算采用的是拉格朗日网格，而流体计算则大多数采用的欧拉网格。如果说把拉格朗日网格中的节点点看作是真实世界的物质原子的话，那么欧拉网格的 节点则好比是真实世界中的一个个传感器，它们总是呆在相同的位置，真实的记录着各自位置上的物理量。正常情况下，欧拉网格系统是这样的：计算域和节点保持位置不变，发生变化的是物理量，网格节点就像一个个布置在计算域中的传感器，记录该位置上的物理量。这其实是由流体力学研究方法所决定的。宏观与 微观的差异决定了固体力学计算采用拉格朗日网格，流体计算采用欧拉网格。关 于这部分的详细解说，可以参阅任何一本计算流体动力学书籍。 世界是公平的。有利必有弊。朗格朗日网格适合计算节点位移，然而对于过大的网格变形却难以处理。欧拉网格生来可以处理大变形（因为节点不动），然而对于对于节点运动的处理，则是其直接软肋。然而很不幸的是，现实生活中有太多网格边界运动的实例。如汽车发动机中的气缸运动、阀门开启与关闭、机翼的运动、飞机投弹等等等等举不胜举。 计算流体动力学计算的基本物理量通常为：速度、温度、压力、组分。并不计算网格节点位移。因此要让网格产生运动，通常给节点施加的物理约束是速度。CFD中的动网格大体分为两类：（1）显式规定的网格节点速度。配合瞬态时间，即可很方便的得出位移。当然一些求解器（如FLUENT也支持稳态动网格，这时候可以直接指定节点位移。（2）网格节点速度是通过求解得到的。如6DOF模型基本上都属于此类。用户将力换算成加速度，然后将其积分成速度。 对于第一类动网格问题，在fluent中通常可以使用profile与UDF51行网格设置，通过规定节点或区域的速度、角速度或位移等方式来显式确定网格的运动，通常大部分的动网格问题都归于此类。而对于第二类问题，通常涉及到力的计算，力在流体中通常是对压力进行积分而来。将力转换为速度或位移，一般涉及到加
滑移网格法 滑移网格法作为众多网格方法中的一种，在CFD 计算方面应用十分广泛，特别是在处理有旋转域的相关问题上。但是“滑移”在中文的传统意义上是属于“动”的一种，使得很多人将滑移网格法错误的认为是动网格方法的一种。以下将具体介绍动网格的三种实现-方法，以及滑移网格和滑移网格方法的具体实现步骤。 1 动网格方法 动网格可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。其在商用软件中的应用十分广泛。-动网格可以分为以下三种：弹簧近似光顺法、动态分层法、局部网格分层法。 1.1 弹簧近似光顺法 弹簧近似光顺法近似将网格节点间通过弹簧相连，任意一个网格节点的位移均会打破网格系统的力的平衡，通过反复迭代，得到一个新的网格系统，变化过程中网格总量不变。但在处理计算域较大变形问题时，误差较大。 1.2 动态分层法 动态分层法是根据移动边界的运动规律，在变形区域实时增加或减少网格。局部网格发生增减。相对弹簧近似光顺法，可以处理计算域变形较大的问题。 1.3 局部网格分层法 局部网格分层法是在弹性光顺法的基础上发展得到的。在弹性光顺法得到新的网格系统的基础上，删除部分网格并从新生成。该方法有一个网格拉伸度尺寸标准，弹性光顺法得到的网格满足标准则继续使用原网格，不满足则从新生成。 由上可见，动网格方法在数值模拟计算域形状发生变化的相关问题上具有较好的效果。但在处理计算域旋转但形状不变的问题上有所不足。而滑移网格方法可以很好的弥补这一不足。 2 滑移网格法 滑移网方法是在计算过程中，移动单元区域沿网格分界面滑动，移动网格区域内部网格保持不变。这一特点使得其在数值模拟带有旋转区域相关问题时，具有较大的优势。 2.1 滑移网格法实现步骤 （1）读取各计算计算域网格，识别转/静交接面； （2）对转/静交界面上的网格节点进行外延，构造滑移边界； （3）找到每个滑移点的宿主单元，并计算对应的插值型函数； （4）进行流场的定常数值计算，达到收敛标准； （5）开始非定常计算，第一个物理时刻t=0； （6）对旋转域进行相应旋转，重新构造滑移边界、宿主单元搜索和插值函数计算； （7）进行第t 个物理时刻计算，直到满足内迭代收敛标准； 判断非定常计算是否完成，完成则终止计算；否则开始下一物理时刻t=t+1时刻的计算，返回（6）。 2.2 滑移网格宿主单元搜索与插值方法 宿主单元搜索大致思路为：对于第一个交界面上的每一个延伸点，在第二个交界面附近找到包含该延伸点的网格单元，然后，再反过来在第一个交界面附近找到包含第二个交界面上延伸点的网格单元。 （1）引入重心坐标K K i A A i =β,i β为重心坐标，K 代表当前考虑单元的编号， i 代表K 单元的第i 个面，K A 代表K 单元的体积，i K A 代表当前考虑的滑移点与K
临近空间高速飞行器抛罩过程的动网格方法对比 赵星宇;王翼;苏丹;徐尚成;范晓樯 【期刊名称】《推进技术》 【年(卷),期】2020(41)2 【摘要】飞行器抛罩是一个复杂的动力学、流体力学耦合问题,涉及六自由度运动方程与N-S方程的耦合求解,其中动网格非定常计算是关键技术。针对二维临近空间高速飞行器,将耦合过程简化为匀速旋转抛罩,对比分析了光顺重构法、重叠网格法、域动分层法三种工程易行的动网格方法的仿真结果,并得到如下结论:三种方法在整流罩关闭状态下的定常流场结果一致,均能捕捉到非定常开罩过程的典型特征,得到正确的起动结果;在非定常过程中光顺重构法的分离区吞入速度慢于重叠网格法和域动分层法;重叠网格法的计算通用性最好,域动分层法的计算速度最快,光顺重构法的理论精度最高;由于光顺重构法的网格更新对于复杂模型容易失败,域动分层法只能处理运动轨迹已知的问题,三维动力学耦合计算建议采用重叠网格法;在进行整流罩的三维设计时,应考虑溢流效应以缩小整流罩前方的大分离区,降低飞行器的控制及热防护上的困难。 【总页数】9页(P268-276) 【作者】赵星宇;王翼;苏丹;徐尚成;范晓樯 【作者单位】国防科技大学空天科学学院 【正文语种】中文 【中图分类】V235.213
【相关文献】 1.适用于临近空间飞行器大变形的动网格策略 2.临近空间长航时太阳能飞行器动导数特性及机理 3.太赫兹波应用于临近空间高速飞行器测控研究 4.临近空间高速飞行器测控关键技术分析与总结 5.全省巩固拓展脱贫攻坚成果推进乡村振兴专题研讨班在浮梁举行 因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买
基于弹簧系统网格变形方法的旋翼气弹耦合分析 马砾;招启军;王清;赵蒙蒙 【摘要】在旋翼气动弹性耦合(CFD/CSD)分析中引入弹簧系统网格变形方法,建立了一套适合于旋翼气动载荷分析的CFD/CSD耦合方法.为了解决CFD/CSD耦合中关键的网格变形问题,旋翼桨叶贴体网格变形采用基于“ball-vertex”弹簧系统的动态网格方法,通过添加冗余约束,避免了畸形网格单元的产生.旋翼流场计算采用基于Navier-Stokes(N-S)方程的CFD模块,对基于运动嵌套网格的空间流场进行求解,湍流模型采用B-L模型.结构分析采用基于中等变形梁理论的CSD模块,基于Hamilton变分原理建立旋翼桨叶动力学方程.首先对振荡NACA0012翼型的流场进行了求解,验证了网格变形模块和CFD模块的有效性,然后采用UH-60A直升机旋翼作为算例对结构动力学模块进行数值验证.在此基础上,计算了UH-60A直升机旋翼桨叶在前飞状态下的非定常气动载荷,并与飞行测试数据进行了对比.计算结果表明,文中的弹簧系统网格变形方法可以有效地用于旋翼CFD/CSD耦合计算分析,提高了旋翼气弹载荷的预测精度. 【期刊名称】《南京航空航天大学学报》 【年(卷),期】2016(048)003 【总页数】8页(P410-417) 【关键词】旋翼;非定常气动载荷;CFD/CSD耦合方法;弹簧系统网格变形方 法;Navier-Stokes方程 【作者】马砾;招启军;王清;赵蒙蒙
【作者单位】南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016;南京航空航 天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学直升 机旋翼动力学国家级重点实验室,南京,210016 【正文语种】中文 【中图分类】V211.47 旋翼是直升机主要的气动力来源，旋翼的气动性能直接影响直升机的整体性能。为准确分析旋翼的气动性能，可以采用CFD方法对旋翼流场进行计算[1]。同时，由于直升机旋翼桨叶是细长柔性体，在气动载荷作用下会产生结构变形，因此需要在流场计算中引入CSD分析模块，以计入弹性变形导致的流场变化[2]。而弹性旋翼周围的贴体网格是影响流场计算结果的重要方面。与固定翼相比，旋翼桨叶的结构运动要复杂得多，桨叶运动是直线和旋转运动的合成，且桨叶不仅有类刚性的整体运动，也包含了挥舞、摆振和变距(扭转)及轴向拉伸等多自由的弹性变形运动，这些运动之间存在复杂的耦合关系，桨叶运动的特殊性对旋翼周围的网格及流场求解均提出了很大挑战。因此，采用高精度动态网格变形技术在旋翼CFD/CSD耦合方法中进行旋翼气动特性数值模拟具有重要的意义[3]。 早期的旋翼计算流体力学研究中对网格问题进行了简化处理，如仅采用桨叶近场的单块网格。随着多块嵌套网格方法及网格生成技术的不断发展，目前基于嵌套网格进行旋翼流场数值模拟已成为旋翼CFD 研究的主流[4]。弹性旋翼流场的数值模拟虽然在近十多年内也取得了较大进展，但仍存在不少问题。其中，贴体网格的动态运动(变形)是模拟中一个很关键的方面，而目前的研究在这一方面尚处于发展之中，以致直接影响到数值模拟的精度。Datta等人[5]采用的代数网格变形方法具有很 高的效率，然而该方法网格变形生成后新旧两套网格上的流场物理量需要进行交换