什么是网格质量？检查与提升？

什么是网格质量？检查与提升？

在CAE和CFD仿真计算中，网格质量是决定计算结果准确性和收敛性的关键因素。本文将从网格解析、质量评价标准、常用软件的检查方法以及提升网格质量的实践经验等方面，全面介绍网格质量的相关知识。

网格解析

网格生成是将研究对象离散成单元的过程，主要包括以下要素：

• Cell（单元体）：离散化后的计算域网格所确定
• Face（面）：Cell的边界
• Edge（边）：Face的边界
• Node（节点）：Edge的交汇处/网格点
• Zone（区域）：一组节点、面和（或者）单元体，边界条件数据存储在Face中，材料数据和源项存储在Zone的Cell中

网格主要分为两类：

• 结构化网格：所有内部点都具有相同的毗邻单元，边界拟合容易实现、数据结构简单、网格质量好，但适用范围较窄，对复杂几何模型划分难度高。
• 非结构化网格：内部点不具有相同的毗邻单元，对于复杂几何模型的网格生成比较友好。

网格类型及单元阶次：

• 网格分为一维、二维、三维等类型
• 单元有线性、二次和三次等形式，二次和三次称为高阶单元
• 高阶单元可提高计算精度，但节点数较多，使用时需权衡计算精度和时间
• 增加网格数目和单元阶次都可以提高计算精度

网格质量及评价标准

网格质量主要从以下几个方面进行评价：

• Element Quality（单元质量）：取值范围从0到1，0最差，1最佳
• Aspect Ratio（纵横比）：1最佳，二维网格表现为正方形或正三角形，1~5较好，结构分析必须小于20
• Parallel Deviation（对边偏角差）：值越接近0，网格质量越好

• Maximum Corner Angle（单元最大内角）：三角形越接近60度越好，四边形越接近90度越好

• Jacobian Ratio（雅克比比率）：值越接近1，网格质量越好

• Warping Factor（翘曲系数）：值越接近0，网格质量越好

• Mesh Metric（网格质量系数）：值越接近1，网格质量越好
• Skewness（偏斜系数）：值越接近0，网格质量越好；值越接近1，网格质量越不好

• Orthogonal Quality（正交质量系数）：值越接近1，网格质量越好

对于一维和二维网格，可能还会有以下评价指标：

• 一维网格：检查自由端点和刚性端点
• 二维网格：偏度（Skewness）一般要求最大偏度小于0.7

常用软件网格质量检查

Hypermesh

通过底部Tool-check elems或快捷键F10进入单元检查界面，可以检查以下指标：

• free 1-d's：检查一维单元是否含有自由端
• rigid loops：检查一维刚性单元是否形成刚性环
• dependency：检查焊接和刚性单元是否含有双重依赖
• length＜：检查单元的最小长度
• length>：检查单元的最大长度
• warpage：检查四边形单元的翘曲量
• aspect：检查单元的纵横比
• skew：检查单元的扭曲度
• chard dev：检查表面单元偏离真实曲面的程度
• length<：检查单元的最小边长
• length>：检查单元的最大边长
• jacobian：检查单元偏离理想形状的程度
• taper：检查四边形单元偏离矩形的程度
• min angle＜：检查单元的最小内角
• max angle<：检查单元的最大内角

Fluent Meshing

• 体网格生成后可通过右键_Summary_对体网格进行质量检查
• 网格质量不佳时可利用Auto Node Move进行优化
• 优化的衡量标准一般以Skewness(歪斜度)为主
• 若勾选Restrict Boundary Nodes Along Surface，在优化过程中，Boundary Zones中所选择的边界上的节点将保持不变

ICEM

• 通过顶部工具栏中“Edit Mesh”标签页，第四个图标“Display Mesh Quality”进行网格质量检查

Star CCM+

• 通过菜单栏-网格-诊断(D)-选择需要检查的区域及输出的报告形式
• Face validity建议不小于0.8
• Volume Change描述了一个网格单元体积与其最大相邻单元体积之比，推荐大于1e-3
• 通过结构树-绘图-新建绘图-直方图-来绘制并显示相关的柱状图
• skewness angle建议小于90°

心得&体会

优质的网格是仿真计算的基础，提升网格质量的方法包括：

• 分析实际问题，选择合适的网格类型
• 模型简化：适当简化以提高网格质量
• 剖分区域：将复杂模型分解成几个小区域
• 加密方式：将网格用在流动梯度大的地方
• 控制网格长宽比：保持△Y/△X<10
• 选择合适的网格划分参数：曲率设置，狭缝设置等
• 利用软件的网格自动优化功能

注意事项

• 六面体网格极具优势，但复杂模型前处理难度较大
• 面网格质量直接影响体网格质量
• 受计算资源限制，应将网格用在关键位置
• 不同软件和行业对网格质量的要求不同
• 评价模型网格质量应兼顾行业规范和软件指标
• 技术进步可能改变以前的限制条件