我們使用各種工具進行Fluent仿真的前處理工作，目的是獲得適合于流體計算的有限元網格。

對于不同的網格，他們的數量、類型、分布、形狀……等特點都不盡相同，但是對于絕大多數的體網格來說，都還是能夠在Fluent中進行仿真計算的。

這個時候，Fluent就好像一個成熟穩重的“成年人“，而這些形形色色的網格則好比一群”孩子“一樣。Fluent需要接納這些”孩子“并進行計算，但是也會對孩子的情況進行反饋和評判。本文就簡單的探討一下，哪些網格才能成為Fluent眼中的”好孩子“呢？

圖1 ANSYS官方教材中優質網格應具備的條件

在流體仿真的工業應用中，網格的要求主要包括以下三個方面：準確、高效、易于生成。但需要注意的是，Fluent軟件本身對網格的要求并沒有那么高。

比如在17.0版本之后，對于高扭曲度的網格，Fuent還提供了一種包裹的方法進行修正，以避免非物理解的存在。從這個角度來講，Fluent可以認為是一個很寬容上進的“成年人”，不斷的在改進自身的能力和素質，以適應不同類型“孩子們“的需求，而且持續的在降低進屋的門檻。

圖2 高扭曲度網格的包裹修正，實際上是降低了對網格的要求

就像我們都喜歡有教養、懂禮貌、活潑、可愛的孩子一樣，Fluent對于網格的偏好也是有明確的量化指標的。但是對于一個網格來講，他的特點是包含很多方面的，究竟哪些特性是能夠吸引Fluent，或者說哪些是主要被Fluent這個成年人所關注的呢？

是六面體么，還是Cutcell或Polyhedral？是通過Gambit生成的網格、還是表面圖案整齊一致的網格呢？

★ 名詞的釋義

網格的好壞（優劣），一般情況下都被大家等同于網格質量，這個概念從廣義上理解是沒有錯的。畢竟質量好，就證明是優秀的；質量差，也就可以認為是劣質的。

但需要注意的是，我們有限元仿真的網格中有一個專有名詞，就叫做“網格質量”（Mesh Quality）這是一個定量的描述，就好像和“網格數量“的概念是一樣的。“網格質量”雖然有多種衡量方式，但是每一種標準都是一個數值；可大、可小，可以定量計算，也可以統計分布。

因此，為了避免概念上的混淆，在本文中，我們就用“網格扭曲度”這個詞來代表“網格質量”的專有概念。同時，也會盡量的避免出現“質量”這兩個字。

但是網格的特征實在是太多了，比如他的數量、類型、分布、形狀等等因此我們可能需要借助一些方法來看這個問題。唯物辯證法中關于事物的特點，有一個重要的概念叫“重點論”：簡單的理解就是在不同的情境下，應該抓住事物的主要矛盾。

流體仿真需要的網格有很多的特點，從辯證法的角度，我們可以認為這些特點都是一個一個的矛盾。那么既然要抓住主要矛盾，就必須要知道哪些因素是優先考慮的。

對于Fluent仿真來講，主要矛盾只有兩個：一是網格的效率與準確性；二是網格的扭曲度。

圖4 ANSYS官方培訓教材中，也將“效率與準確性”和“扭曲度”列為網格最重要的特征

因此，只要能夠滿足這兩條“矛盾“的網格，Fluent認為都是好的網格；至于其他的因素，比如網格的類型、是否包含Interface交界面、生成網格使用的軟件、網格是否整齊、外觀是否好看等，都是次要矛盾。這些次要矛盾并不會影響Fluent對該網格的”看法“，簡單的講，就是不會對仿真結果有過多的影響。

但是網格的效率、準確性和扭曲度，卻會對Fluent仿真的求解造成決定性的影響。

★ 網格的效率與準確性

首先我們來分解這個概念。

● 效率：就是網格的數量不能太多，因為這樣會導致總體的仿真時間過長，從而降低效率。

● 準確性：就是計算的結果要合理，各個位置變量的值（和梯度）要能夠準確的體現出來。

因此，如果我們希望網格滿足效率與準確性的要求，就必須要做到：該密的地方密，其他的地方稀疏。哪些地方的網格該密呢？主要有兩個區域：

※ 幾何具備精細細節的位置

幾何細節的精細程度通常是在以下兩種情形中體現出來的：一是有弧（曲面）的地方；另一個則是有狹縫的地方。如果我們不加密曲率大的幾何區域，那么曲面將變形失真；如果狹縫的區域不進行加密，則會出現網格的尖角。

圖5 曲率和狹縫使幾何細節加密中最為常見的特征

※ 變量存在大梯度的位置

很顯然，如果一個變量在較小的區域發生了較大的改變，那么如果網格數量不夠的話，則是不能準確描述這種梯度變化的。畢竟我們的仿真采用的是離散的方法，一個網格只能代表一個值，所以當梯度大的時候，必須要用多個網格才能準確描述。

圖6 當網格不能捕捉大梯度變量時，計算結果往往是不正確的

圖7 當網格能夠捕捉大梯度變量時，計算結果才能得到保證

通常，如果我們不首先進行仿真計算的話，是很難確定哪些區域存在大梯度變量的。當然，對于成熟的流體工程師，經驗可能會給我們以指導。為此，我們需要在網格劃分之前就能夠粗略的判斷，可能出現的大梯度變量的位置。對于這些位置，我們可以通過影響體的方法進行局部的網格加密。

圖8 經驗告訴我們，應該在障礙物的下游方向加密網格

對于其他的、無法預判的大梯度變量區域，我們只能依賴Fluent中的網格自適應功能，在求解之后進行局部加密，當然，這個也是已經非常成熟的方法了。

除了影響體（或球）的方法局部加密以外，邊界層網格也是一個自動加密大梯度變量的有效途徑。所以，Fluent會非常喜歡有邊界層的網格，因為他們即準確又高效。

圖9 Fluent最喜歡有邊界層的網格

如果所有的位置網格都很稀疏，那么將無法有效捕捉變量的大梯度、也無法準確描述幾何的實際特征，計算可能會出現大的錯誤；如果所有位置的網格都很密，那么計算量會過大，而且在梯度小的區域，過多的網格沒有任何的意義，這不滿足效率優先的要求，實際上也造成了資源的浪費。

★ 網格的扭曲度

對于自動生成的體網格（非六面體），網格的扭曲度基本上就可以定量的衡量“網格的質量“這一專有概念了，因為skewness和長寬比、過渡等屬性評判的標準都是類似與統一的。對于六面體而言，網格的扭曲度恐怕不能完全的覆蓋所有的評判標準，還需要長寬比、網格間過渡等指標進行聯合判別。

圖10 網格扭曲度的判別標準

圖11 六面體網格的額外判別標準

以上兩個概念（效率與準確性、扭曲度）都是Fluent眼中優質網格必備的特點，但是他們兩個的定位還有所區別。

效率與準確性可以認為是決定性的因素，他是所有網格必須優先考慮、并依照該要求進行布局和生成的標準。相反，網格的扭曲度可以認為是一個“一票否決權”；他平時并不出現，也不干涉網格構建的流程，只是在網格完工之后出現，更像是一個監管的部門；它的工作就好比工程中的驗收一樣，沒有問題最好；如果有問題了，就必須要處理一下。

根據我們的調查顯示，絕大部分的工程師在構建流體網格的時候，通常是忽略了效率與準確性的要求，而僅僅是判斷一下網格扭曲度就做結論了，這是不合理的，也是不負責任的。舉一個例子，假如一個流體網格不能夠在大梯度變量存在的區域有足夠多的網格，那么就會出現我們非常常見的流體仿真問題：殘差不收斂、粘性比超標、計算發散……

最后總結一下，在Fluent這個寬容的“成年人“眼里，好孩子（網格）的標準只有這些：有禮貌（效率）、有教養（準確性）、活潑可愛（扭曲度）。

因此，喜歡一個孩子（網格），不會在乎他是男孩（六面體）還是女孩（四面體）、也不會在乎他是高還是矮（是否包含Interface交界面），是什么出身背景（用哪種軟件生成的）、相貌如何（網格是否整齊）、性格外向（cutcell網格）還是內斂（Poly網格）。

好了，哪些網格才能成為Fluent眼中的”好孩子“呢？文章寫完了，大家自行判斷！當然網格劃分只是軟件操作其中重要的一步，但是只會軟件操作是不夠的。

對于想要從事流體仿真工程師崗位的高校學生和轉行工程師來說，僅僅是掌握了軟件的操作方法，并不等于會做仿真。

仿真是一整套體系，仿真工程師的成長也是一整套體系。

審核編輯 ：李倩