摘要： 使用 Fidelity? Pointwise?，為 NASA 高升力通用研究模型 (HL-CRM) 生成了四種類型的 CFD 網格（多塊結構化、非結構化四面體、非結構化混合和混合重疊）。從幾何處理到最終體積網格的生成，記錄了在此過程中吸取的教訓。所有網格都用作構建網格系列的基線，用于第三屆 AIAA 高升力預測研討會和第一屆 AIAA 幾何和網格生成研討會的網格敏感性研究。

介紹

AIAA 應用空氣動力學技術委員會主辦了第三屆高升力預測研討會 (HLPW)，以評估計算流體動力學 (CFD) 代碼在建模、模擬和數值預測掃掠、中到高升力流動物理方面的當前能力著陸/起飛配置的高展弦比機翼飛機。因此，AIAA 網格劃分、可視化和計算環境技術委員會主辦了第一屆幾何和網格生成研討會 (GMGW)，以評估飛機和航天器當前最先進的幾何準備和網格生成。

高升力通用研究模型 (HL-CRM) 幾何被用于第三屆高升力預測研討會 (HLPW) 的網格收斂研究，并作為第一屆 GMGW 的案例研究。第一屆 GMGW 的重點是確定和記錄 HL-CRM 的幾何處理和網格生成的技術、軟件和最佳實踐。作為這項工作的一部分，生成了一組不同元素類型的中等網格基線作為研討會的候選網格。

幾何準備

A. 幾何描述

兩個研討會研究的 HL-CRM 配置都是基于在大量實驗和數值模擬中使用的高速配置模型。高升力配置最初包含吊架、機艙、內側、外側前緣縫翼以及內側和外側單縫襟翼。

為了適應車間的目標，吊架和機艙被拆除，這需要重新配置機翼和前緣縫翼。圖 1 顯示內側和外側機翼下縫翼表面 (WUSS) 和前緣縫翼分別組合為一個 WUSS 和一個前緣縫翼。還對內側和外側單槽襟翼之間的間隙區域進行了修改，以創建一致的 1 英寸間隙，從而簡化網格生成。

圖 1. HL-CRM 翼身配置，對前緣縫翼、縫翼表面下的機翼和內側/外側襟翼間隙進行了修改。

B、幾何處理

幾何處理是在 HLPW 提供的初始圖形交換規范 (IGES) 文件上執行的。Fidelity Pointwise 網格生成軟件用于導入 IGES 文件。對幾何形狀進行了審查，以確定是否可以在相鄰表面邊緣之間以適度的公差構建防水實體模型。翼身、前緣縫翼和內側/外側襟翼的實體模型是使用 Fidelity Pointwise 構建的，邊緣公差為 0.014。

每個實體模型中的表面都根據需要額外的表面網格劃分控制和/或存在硬特征邊緣的區域組裝成面組。當實體模型在流程的下游進行網格劃分時，會在每個面組而不是每個原始曲面上創建單個曲面網格。在圖 2 中，插圖顯示了被子組裝前后的 HL-CRM 表面。

圖 2. HL-CRM 幾何圖形以陰影表示在被子裝配之前（左）和之后（右）的幾何級別上定義的表面網格拓撲。

網格生成

A. 網格準則

本研究旨在根據 HLPW 提供的網格化指南創建基線結構化多塊、非結構化、混合和混合重疊介質網格，并用當前的最佳實踐補充這些指南。

遠場表面網格位置指定為距離身體 100 CREF。身體、鼻子和尾巴附近的表面細胞大小要求約為 1.0% CREF。前緣和后緣的弦向間距設置為每個元件（縫翼、機翼和襟翼）測量的局部裝置弦的大約 0.1%。根部和尖端的展向間距要求為半跨度的 0.1%。最后，根據生成的網格級別設置后緣的單元/點數。

 在體積中，建議網格至少有兩層垂直于粘性壁的恒定單元間距，并在網格族級別的邊界層區域使用縮放拉伸比，不超過 1.25 的值。體積網格的其他建議包括在尾流區域提供額外的細化（如果可能，使用流對齊單元）。縫翼和主翼元件后面的區域特別受關注，因為邊界層與上游元件尾流的對流和擴散之間存在相互作用的可能性。

B. 非結構化和混合網格生成

基于平均等邊邊長，使用 Fidelity Pointwise 中的自動化工具在處理后的幾何體上創建初始三角形表面網格。修改了根部和尖端的展向間距，以及每個元素的前緣和后緣的弦向間距，以符合上一節中討論的網格化指南。

應用網格化指南后對表面網格質量的審查首先關注三角形單元格面積比。解決后緣的高面積比需要在與后緣相鄰的上下表面網格上應用各向異性三角形。一旦滿足表面網格質量和對表面網格劃分指南的遵守，就會對間隙區域的表面網格進行比較。

根據情況，在間隙中使用不同的技術來改進點和單元匹配。表面網格的初始處理涉及在每個元素的 LE 之外生長各向異性三角形，其弦向間距在網格化指南中指定。

圖 3. 在中等 HL-CRM 網格的恒定 Y 切割處顯示了關于皮瓣的混合網格的兩個視圖。

表面網格修改完成后，使用 T-Rex 網格劃分算法根據中級網格的幾個關鍵參數從完成的表面網格生成四面體層。第二種類型的中等網格是通過將邊界層中的各向異性四面體與棱柱相結合來生成包含棱柱、棱錐和四面體的混合網格而創建的。

C. 混合重疊生成

從連續的混合網格開始，創建了混合重疊網格。在距實體邊界用戶指定的距離處，連續的混合網格被分成近體和離體區域。混合網格的離體區域被移除，取而代之的是稱為體素網格劃分的自動化分層非結構化網格劃分過程。

圖 4. 混合非結構化網格中的近體和離體區域。

通過將近體網格的邊界面指定為分層網格化過程的自適應輸入，實現了近體混合網格和離體體素網格之間的適當重疊插值模板。一個可選的后處理步驟將懸掛節點分層網格轉換為四面體、金字塔和六面體元素的完全連接的非結構化網格，以與通用非結構化網格流求解器一起使用。

重疊網格組件切掉模型內部的離體網格部分，并計算網格之間插值的模板。HL-CRM 模型的重疊網格組裝是在 Fidelity Pointwise 應用程序中通過與通用重疊網格組裝軟件包 Suggar++ 集成進行的。Suggar++ 的直接切割孔切割方法和重疊最小化功能顯著減少了裝配過程中的用戶交互。

D. 結構化多塊網格生成

為了創建結構化多塊網格，幾何模型被導入到 Fidelity Pointwise 中，并通過不同于之前描述的程序進行網格劃分。導入時，CAD 中的修剪曲面被提升為 Fidelity Pointwise 中的面組實體。在為中等結構化網格中的拓撲生成網格曲線時，多條網格曲線是沿單個曲面邊生成的，而不是一條網格曲線。

從拓撲的角度來看，該幾何體有幾個對結構化網格具有挑戰性的特征。使用創造性的網格拓撲妥善解決了這些困難的特征。然而，本地集群要求和生成平滑網格需要在塑造拓撲和分布網格曲線時小心。襟翼和縫翼與機翼的接近度及其局部幾何形狀給他們帶來了創建合理的正交拓撲結構的挑戰，這種拓撲結構還允許控制局部壁集群。板條壓力側的曲率也需要使用局部 OH 拓撲結構進行特殊處理，如圖 5 所示。

圖 5. 在機身機頭處創建了一個 OH 型拓撲并傳播到遠場。

最后一個要覆蓋的區域是體積網格。保持網格要求，特別是壁間距，同時管理整體單元格和點數在體積網格內部引入了一些點分布問題。一般來說，它產生了良好的正交網格質量。然而，在保持指南中等網格壁間距的同時，從體積網格的一側到另一側的分布發生變化，導致近壁層中的一些單元發生傾斜。必要時，僅需在橢圓 PDE 求解器中進行幾次迭代即可改進傾斜單元，并使用 Steger-Sorenson 邊界控制函數來控制壁面的正交性和間距。

結論

已生成一組中基線網格，供第三次高升力預測研討會和第一次幾何和網格生成研討會考慮。在每種類型網格的網格生成過程中，應用了 HLPW 的網格化指南，然后對其進行評估以確定是否可以全部遵循以及是否需要其他指南，或者網格類型是否會影響對某些指南的遵守。

對于非結構化、混合和混合重疊網格的開發，確定了網格后緣點數的規范以及弦向和翼展方向所需的間距會產生具有不理想的表面網格高面積比。根據網格化經驗，非結構化和混合網格中的高面積比會導致高體積比和體積單元偏斜。在結構化多塊網格的情況下，主要關注點是幾何的準確表示和遵守中級網格壁間距要求。

參考：

1. Woeber, Carolyn D.、Gantt、Erick JS 和 Wyman, Nicholas J.，“NASA 高升力通用研究模型 (HL-CRM) 的網格生成”，AIAA 論文編號。2017-0363，2017 年 1 月。