在CFD流體計算中，不同網格模型通常會包含不同種類的問題，這就好比我們的身體都會生病一樣。尤其是當仿真中遇到復雜的幾何模型時，可能出現問題的幾率就更高了。在通常的網格劃分流程中，存在問題的表面網格（Surface Mesh）是無法有效生成體網格的；當然，如果體網格存在問題，那么求解器也是無法進行仿真計算的。為此，流體工程師必須要在前處理的過程中來解決這些網格的“病癥”。

 

圖1 常見的面網格問題

 

Fluent Meshing作為一款高級的前處理工具，具備有強大可靠的網格診斷工具Diagnostics，可以處理任意CFD表面網格（部分四邊形問題除外）存在的問題，主要包括自由邊、多重邊、網格自相交、面網格質量過差等情況。當然，實際上FM中的Diagnostics工具包含非常豐富的功能，限于篇幅，本文僅對最為常見的幾種技術作以簡要介紹。

 

通常我們就醫的時候，都需要首先進行一些檢查，比如血常規、核磁共振、超聲檢查等。等拿到結果之后，醫生會進行相應的判斷，從而提出治療的方案。和就醫的情況類似，Diagnostics診斷工具的工作步驟也主要分為兩個部分，一是檢查并定位問題，二是進行有效的處理。

 

為了方便我們使用，檢查問題的分類和對應的自動化處理方法通常都在同一個面板下進行操作；當然，如果我們面臨的錯誤比較復雜，那可能還需要加入手動的操作來完成任務。

 

一、Summary工具

 

從嚴格意義上講，Summary工具并不能算做是Diagnostics診斷工具中的一個功能，但是這個操作使用的頻率實在是太高了，而且與診斷工具配合，可以極大的提高網格問題處理的工作效率。

 

通過該工具，我們可以快速的從整體上判斷表面網格的概略情況，比如是否有自由邊、多重邊等。假如Summary的結果很好，那么幾乎可以認為不需要做診斷的操作了；假如存在不同的問題，那么則可以有針對性的進行進一步的診斷操作。

 

圖2 通過Summary工具可以判斷網格的初步問題

 

Summary工具就好比我們通常就醫時的血常規檢查，通過這個結果通常可以判斷是細菌感染、病毒感染或是沒有感染。當然，如果不配合其他檢查，單從血常規的單子中是無法判斷具體哪些位置發生的感染，因此就需要進一步的檢查。為此，僅使用Summary工具和血常規檢查一樣，都只能大致了解可能存在的問題，對于精準的定位操作就必須要用更為專業的工具來處理。

 

圖3 通過血常規檢查單通常可以進行初步的判斷

 

二、自由邊工具

 

如果一個面（Face）的任意一條邊是自由（Free）的，沒有與其他的面相連接，那么FM就會將其標記為Free Face，可以在Display面板中查看，包含自由邊的面網格默認是淺藍色的。

 

圖4 自由邊顯示方法，可以看到該模型中存在大量自由邊

 

絕大多數的自由邊是不應該存在的，因為這是計算區域不水密的表現。當然，如果計算域中存在無厚度壁面，則在該位置的自由邊是允許存在的，而且很多情況下必須存在。當然，這些自由邊實際上并不影響體網格的劃分。

 

對于任意的水密封閉表面而言，自由邊出現的原因是由于幾何在數據傳遞中容差不同所導致的。Fluent Meshing可以快速定位自由邊存在的位置，并能夠根據多個自由邊相連的位置關系進行分批次的顯示，方便我們集中處理一類有共同特點的自由邊。當多個位置同時存在自由邊時，FM還可以根據其相互的位置關系進行標記（Mark），并針對該組標記的表面網格（一個或多個Face）進行處理。

 

圖5 自由邊的診斷面板

 

自動處理自由邊的方法主要有三個，分別是Merge nodes、Stich和Delete。

 

圖6 自動處理自由邊的三種方法

 

首先介紹一下Merge nodes，這是最為常用、且最可靠的方法，通常都是必須首先使用的技術。通過該方法，可以快速的將節點位置比較接近的自由邊閉合成封閉的邊，而且該方法的最大優勢是不會改變結構的形狀。

圖7 通過Merge nodes技術可以快速實現縫隙去除

 

其次就是Stich，該工具主要用于Merge nodes無法解決的問題。根據不同容差的設置，可以將距離相對較遠的兩個節點合并，從而達到合并自由邊的目的。需要注意的是，Stich可能會改變原有的幾何形狀，尤其是在兩側自由邊距離較大的時候。

圖8 Stich工具使用不當時，可能會出現幾何錯位的情況

 

Delete工具是直接刪除包含自由邊的面網格，只有極少數情況下可能會用到這個工具。

圖9 三種自由邊自動處理方法的對比

 

因此，對于任何自由邊的縫隙問題，都建議首先使用Merge nodes工具進行自動修復，并按照相對容差10%、20%、30%、50%的順序依次處理（直接Apply for all即可）。隨后保存表面網格（用于預防Stich破壞幾何形狀），再針對剩余的自由邊使用Stich，且容差建議不超過15%。

 

當然，實際上有很多問題即使使用Stich仍舊無法順利解決。這個時候就需要手動處理這些“頑固”的自由邊。和Summary操作類似，這些手動技術雖然不從屬于Diagnostics工具的范疇之內，但通常是我們修復網格技術的重要補充。

 

1）Patch封蓋工具。當模型中有面缺失時（孔洞），就不可避免的會出現自由邊，對于這一類問題，是不能依靠Stich和Merge兩種工具的，只能用打補丁的方式。FM中具備快速封蓋工具，首先選擇任意一條孔洞邊界上的自由邊，隨后點擊Creat工具（快捷鍵F5）即可實現快速修復的操作。當然，如果需要修復的位置曲面形狀過于復雜，那么可能修復的結果會不盡如人意。

圖10 patch工具自動修復孔洞

 

2）手動合并節點。首先要通過GUI的選擇兩個Node（FM默認鼠標右鍵選擇），隨后進行合并的操作。合并方法有兩種：一種是Collapse坍塌，這種方式會將兩個節點合并在中間的位置，快捷鍵是Ctrl+J；另一種是Merge合并，該方法會保持第一個選擇的節點位置不變，并把第二個節點移動到第一個節點的位置，快捷鍵是F9。

 

圖11 兩種合并節點的手動操作方法

 

三、多重邊工具Multi

 

當我們的網格模型中具備有多個計算域相連時，就一定會存在多邊的情況，和自由邊類似，我們也可以再Display面板中標記這些（包含多邊）面的位置。

 

圖12 多邊的診斷面板與處理方法界面

 

在診斷工具中，我們也可以通過Multi來分批次標記不同位置與連接關系的多邊情況，但是需要注意的是，正常多區域的交界邊（面）是不會在這里被標記的，該工具只會標記有問題的多邊情況。

 

圖13 正常的多邊與存在錯誤的多邊

 

對于多邊錯誤的解決，通常我們都會選擇按照默認的設置進行自動處理（選擇Above all）。因為對比自由邊的處理方法，多邊問題通常較為復雜，分類也不夠明確，所以手動處理方法相對較少。當然，對于絕大多數的情況，自動處理的多邊問題通常還是可以得到滿意結果的。

 

四、自相交檢查工具Self Intersection

 

圖14 自相交的工具面板

 

詳細很多用戶在使用FM的時候都曾經遇到過這樣的問題：我明明調整好了表面網格的質量，Summary時也沒有明顯的錯誤，為什么一畫體網格就出錯呢？甚至連Compute計算區域的時都無法通過？對于這個問題的情況，通常都是沒有檢查自相交所導致的問題。

 

圖15 常見的報錯信息，通常由面網格自相交導致

 

和上面多邊的問題一樣，對于少量的網格自相交問題，自動診斷工具可以直接解決問題，并不需要手動的操作；相反，如果找到了大量的網格自相交問題，那極有可能是共享拓撲出問題所導致的，這個時候就不建議使用診斷工具來做了，而是需要回去查看幾何。

 

圖16 不同的自相交問題對應的策略是不同的

 

最后，FM的面網格診斷工具雖然強大，但是仍舊有一些忠告要提醒各位流體工程師：

 

1）首先仍舊是要在SCDM中將幾何修復和處理完善，對于嚴格按照流程操作的的*.scdoc文件幾乎是不需要診斷操作的（因為沒有任何問題），無論CAD模型多么復雜。

 

2）診斷技術大多數需要手動操作，耗時較多，工作效率不高，因此不適合在日常的前處理工作中頻繁使用，避免產生依賴。建議僅在關鍵時刻，或難度確實較大的問題中作為“殺手锏”來使用。

 

3）當診斷的問題數量很大（比如成千上萬）的時候，一定要返回SCDM中確認。包括是否針對每個幾何體都使用了“檢查幾何體”操作，是否進行了共享拓撲操作，是否有干涉等情況。實際上對于診斷出來的問題，如果在幾次以內的操作還是可以接受的；問題太多了就一定不是單純的小概率錯誤，而是幾何的某個大方向出了問題，這樣如果使用診斷一步一步來，不僅時間上不允許，還容易產生額外的錯誤。