邊界層網格的案例
FLUENT網格必須做邊界層加密嗎？
工業上的流動問題大部分是湍流問題，當我們采用湍流模型來模擬這些流動的時候，如何處理固體壁面附近的邊界層是一個問題。按照FLUENT的User’s Guide[1]的指導，壁面附近的網格在垂直于壁面的方向應當適當加密，以準確地模擬邊界層的效應。但是，很多人在實際計算的時候，往往不對網格做邊界層加密（圖1），這是令人比較困惑的。
圖1 文獻[2]的物理模型和計算時使用的網格。該文獻的內容是計算一個截止閥內部的湍流流動。可以看出作者并沒有對網格做邊界層加密。
一方面，無論是按照FLUENT User’s Guide的指導還是按照湍流模型近壁面處理的有關知識，對壁面進行邊界層加密是必要的。另一方面，我們又看到很多人在實際計算中并沒有做邊界層加密，而且計算結果往往還和實驗測量值符合。這到底是什么回事呢？我們在實際計算的時候，是否必須對網格做邊界層加密呢？
這取決于所計算的問題的性質。如果在我們所計算的問題中，邊界層是一個重要因素，那么對邊界層網格進行加密是必要的；如果在我們所計算的問題中，邊界層是次要因素，那么可以不對邊界層網格進行加密。
我們來看兩個例子。第一個例子是平板湍流邊界層摩擦阻力的計算。沿著流動方向平板的長度是L=1m，來流速度U=10m/s，工質是水，其密度為ρ=1000kg/m3，粘性系數為μ=0.001Pa·s。我們生成了兩個網格，一個是不做邊界層加密的（圖2），另一個是做邊界層加密的（圖3）。我們在FLUENT 14.5中分別用這兩個網格來計算，所用的湍流模型是k-ω SST。
圖2 計算平板邊界層流動所用的網格。不做邊界層加密。邊界的紫色部分為速度入口，黃色部分為對稱條件，白色部分為壁面（即上文所提到的1m長的平板），紅色部分為壓力出口。網格尺寸為25mm。
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Hypermesh聯合Fluent仿真：教你創建CFD邊界層網格
導言：本教程適合采用Hypermesh作為CFD前處理軟件的新手，主要解決做流體仿真分析時，邊界層網格如何創建，以及內部的四面體網格如何創建的問題，不包含求解器分析部分。
目錄：數據導入、數據清理、網格劃分、網格導出
1、 數據導入
在數據導入hypermesh之前確保一些大的清理步驟，比如塊的創建、切割、面的縫合等已經過專業的三維數模軟件處理（Hypermesh做這些操作不是很方便）。打開Hypermesh，User Profiles先選擇默認，按圖1的步驟點擊導入數據。
圖1 數據導入
展開 邊界層理論及壁面方法
文章最后展示一個很常見的誤區，許多工程師熟悉邊界層理論，也按照要求做好了網格，計算結果卻不理想，很多時候都是由圖8所示的問題引起，忽視了邊界層最外層與主流網格的過渡，導致從一個很小的邊界層網格直接過渡到主流區的大網格，體積變化率（Volume Change，衡量網格質量標準之一）可達上千。正確的做法是右圖所示，通過計算，設置邊界層總厚度為面最小網格尺寸1~2倍，即可獲得適當的過渡比例。
圖8 邊界層與主流網格過渡
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4、 Hypermesh網格劃分-精講進階視頻教程
5、有限元分析ANSA19.0視頻教程零基礎入門到精通50講
展開 [教程]hypermesh CFD邊界層網格劃分CFD-1200: CFD Meshing with
Open the Model File
安裝目錄下的： manifold_inner_cylinder.hm 網格文件。
3. Check That the Surface Elements Define a Closed Volume
4. Generate a BL Distributed Thickness Loading to Prevent Boundary Layer Interference
5. Generate the Boundary Layer and Tetrahedral Core Mesh
點Mesh生成邊界層體網格。
合理控制修改層數、第一層厚度、增長率等參數，使得邊界層不超出壁面
6. Mask Elements to Inspect the Boundary Layers’ Thickness on Thinner Areas
7. Arrange Volume and Surface Components Before Exporting the Mesh for CFD Solvers
展開 
4-邊界層之三問（手動 碼字 如轉 注明來處 少量模型數據信息收費） ￥2
3.邊界層數對流速和流阻的影響
以一段S形狀管為例進行邊界層對流速流阻影響的探討。管路直徑Ф20mm，長度188mm，入口流量10L/min。
網格尺寸和邊界層高度直接影響流阻，邊界層數增加，y+減小，流阻增加，可見在做邊界層時并不是層數越多，尺寸越小越好，合適最好，先考察流動狀態，選擇合適的湍流模型，針對對應的壁面函數判斷y+是否合理，進而確定網格是否合理，本次算例中，通過雷諾數判斷，第一層邊界層高度最好在0.9mm左右。
COMSOL 軟件技術指南：高效 CFD 建模的網格劃分技巧
掃掠操作非常適用于獲取在流線方向被拉伸的網格，同時在橫截面上保持給定的分辨率。
在下圖的示例中，在 Ahmed 類車體模型風道的下游區域添加了掃掠網格。細心的人會發現，非結構化四面體網格與靠近頂面的掃掠網格之間的增長率可能會更好。但此處的流場幾乎沒有變化，因此在“車體”后部獲得良好的增長率更為重要。
Ahmed 類車體下游的掃掠網格。
上述掃掠網格使用“自由四面體網格”操作和“邊界層”操作得到的面網格作為其源網格，這通常是一個非常有用的策略。我們可以在出口邊界上創建一個非結構化三角形網格，并將網格從出口向上掃掠至曲面。不過，這將限制“自由四面體網格”操作（參見“三角形網格”部分）。我們不僅需要在包含非結構化網格的部分中創建邊界層網格，并將這些網格掃掠至下游，還需要沿著整個風道底板推進邊界層單元。
邊界層網格
邊界層網格劃分是 CFD 仿真的重點，此操作可以在壁附近創建高度各向異性的網格，而無需使用掃掠網格或特別指定的域。如之前的文章所述，邊界層通常在無滑移壁上形成，因此這些單元是必需的。
Ahmed 類車體模型的邊界層網格。單元根據質量著色，質量根據偏斜度計算得出。
在 COMSOL Multiphysics 中，需要在為域劃分網格之后添加邊界層網格。各向異性棱柱或六面體單元被推入計算域，產生如下所述的多個高度各向異性單元。結果表明，盡管這些單元呈各向異性，但質量良好。原因在于，邊界層網格在這種情況下由高質量的三角形構建，這也產生了高質量的棱柱單元。
邊界層網格特征
邊界層網格有三個特征：
第一層的高度
增長率
層數
首先是第一層單元的高度，它通常指定為面單元長度尺度的一部分。典型的默認值是面單元的長度尺度比第一個邊界層單元的高度大 50 倍。
展開 COMSOL 軟件技術指南：如何設置優質的 CFD 網格
創建網格控制實體
引入額外的面和邊來控制網格有一個缺點：網格需要與這些額外的實體一致。當引入邊界層網格時，可能會帶來問題。COMSOL Multiphysics 采用一種方法，即在對體進行網格剖分后，將邊界層網格推入域中。域中的單元需要為邊界層單元留出空間，邊界層單元可以在面內移動，也可以沿著邊移動，但不能脫離面或遠離邊。如果不允許單元移動，則試圖進入該域的單元和邊界層單元都可能被壓扁。
下面的屏幕截圖顯示了在 Ahmed 類車體后面添加的一個域，它用于控制尾流中的網格大小。該域不會一直延伸到底部，因此如果不允許移動，在風洞地板上引入的邊界層網格會在地板與外加域的底部之間被壓扁。COMSOL? 軟件的特點是網格控制實體，如汽車后面的網格控制域所示。
當網格控制域完全嵌入到網格中時，它會消失，并在需要移動時（例如創建邊界層網格時）釋放之前限制在其邊界內的單元。在這種情況下，網格控制實體下方地板上的邊界層網格能夠移動網格控制面上及其上方的單元，以避免擠壓單元。
Ahmed 類車體模型，在簡化的汽車結構后面有一個網格控制域。
當實體被移除時，網格控制實體可以局部平滑網格，因此與將實體留在模型中（即使沒有邊界層網格）相比，它們通常在局部產生質量更好的網格。
本文內容來自 COMSOL 博客，點擊“閱讀原文”，閱讀更多延伸文章。
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展開 四十五、壁面函數理論及y+的確定
對于非結構網格，邊界層網格層數在10-20之間，對于邊界層Prism棱柱層網格，要保證邊界層內至少15個節點。
4.3 邊界層厚度
想要在邊界層內畫足夠數量的網格，需要知道邊界層的厚度。如何得到邊界層厚度呢？
Fluent提供了一種估算方法。當我們大致劃分網格進行計算得到一個求解結果時，可以在后處理查看turbulent viscosity湍流粘度物理量。
Results-Plots-XY plot
在垂直壁面方向畫出turbulent viscosity沿垂直壁面方向的曲線圖，turbulent viscosity的最大值出現在邊界層的中間，最大值出現位置的2倍即為邊界層的厚度。
比如下圖為文章后源文件案例的湍流粘度，在x=0.01m處達到最大值，可以認為邊界層厚度為0.02m。
對于某些特殊工況，邊界層厚度也可以由理論公式推導出來
5. 估算邊界層第一層網格
最后我們回到最關心的問題，邊界層第一層網格如何確定？
當我們在Fluent中選擇壁面函數時，必須要保證y+>15。
由此可一步步反推第一層網格高度y的值。式中ρ為流體密度，U為流體主流速度，U∞為流體動力粘度，d為特征長度。
估算雷諾數Re
估算壁面摩擦系數
估算壁面剪切應力
估算
計算邊界層第一層網格
以上流程化的東西都可以通過編程實現
進行了一定的驗證后發現，似乎是由于Fluent基于有限體積法，因此上述求出的第一層網格高度y實際上只是網格中心到壁面的距離，真正的第一層網格高度應該為此值的2倍。
展開 在 CFD 仿真中如何創建優質的網格
創建網格控制實體
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下面的屏幕截圖顯示了在 Ahmed 類車體后面添加的一個域，用于控制尾流中的網格大小。該域不會一直延伸到底部，因此如果不允許移動，在風洞地板上引入的邊界層網格會在地板與外加域的底部之間被壓扁。COMSOL? 軟件具有所謂的網格控制實體，如汽車后面的網格控制域所示。
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來源：COMSOL
展開 飛機外流場計算練習
進行包面處理，網格模型里面選擇包面（star-ccm+的包面功能太強大了，對復雜模型的包面處理非常便捷）。
包面圖如下：
6：重新設置網格尺寸，進行面網格和體網格生成，網格模型選擇：面網格，多面體網格，邊界層網格，其中邊界層網格選6層，1.6的增長因子，只保留機身壁面的邊界層網格，其它邊界去掉邊界層網格劃分。
面網格：
體網格：
如何快速獲得PERA SIM高級CFD網格劃分技能？
選中流體區域中除了入口和出口之外的所有壁面邊界，將Local Mesh Setting中Prism的選項從默認的Off修改為Use Volume，點擊Apply Meshing Parameters按鈕，使用全局參數設置中的邊界層相關參數設置，對流體區域中所有壁面邊界劃分邊界層網格。
在Volume list中選中Volume_Solid1，點擊Select Volume按鈕，將其Prism選項從默認的Use Global修改為Off，點擊Apply Meshing Parameters按鈕，關閉在固體區域內劃分邊界層網格的功能。使用類似的方法關閉其余三個固體區域中的邊界層網格劃分。
網格參數的局部設置
網格尺寸設置完畢后，點擊Open Mesh Parameters Settings按鈕，可以通過表格的形式更加直觀地查看、確認以及修改所有的全局或局部網格參數設置。
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面網格：
體網格：
6：模型設定
選擇3維穩流，耦合求解器（主要用于高速可壓強耦合流動），理想氣體，湍流K-omega模型（適用于尾跡流、混合層流、繞流等）
7：邊界條件
球形域（free stream;flow direction:1,0,0;馬赫數：0.8）,機身（wall）,對稱面：symmetry plane
8:初始條件：
velocity:[200,0,0]m/s
9:設置阻力系數與升力系數等參數
10：求解控制
coupled implicit:courant number:1
Maximum steps:1000
展開 流體網格為什么有邊界層劃分
求解高雷諾數繞流問題時，可把流動分為邊界層內的粘性流動和邊界層外的理想流動兩部分，分別迭代求解。邊界層有層流、湍流、混合流 ，低速（不可壓縮）、高速（可壓縮）以及二維、三維之分。由于粘性與熱傳導緊密相關，高速流動中除速度邊界層外，還有溫度邊界層。
三、邊界層厚度
邊界層內從物面 （當地速度為零）開始，沿法線方向至速度與當地自由流速度U 相等（嚴格地說是等于0.990或0.995U）的位置之間的距離，記為δ 。
邊界層厚度與流動的雷諾數、自由流的狀態、物面粗糙度、物面形狀和延展范圍都有關系。由繞流物體頭部（前緣）起，邊界層厚度從零開始沿流動方向逐漸增厚。當空氣流的雷諾數為Rex=10時，在距前緣1米處，平板上層流邊界層的厚度為3.5毫米。在平滑平板上，層流邊界層的厚度。
四、層流邊界層
流體繞物體流動時，在物體的前端或上游部分的邊界層，一般是層流邊界層。沿曲面的層流邊界層。由于外流速度有變化，與平板有所不同，但速度分布大致類似。緊貼物面的速度梯度較大，因而剪應力也較大。物面上的剪應力為：
式中， 為流體動力粘性系數。算出了τ0，就可求出物面的摩擦阻力系數和摩擦阻力。
展開 [問題討論]使用ICEM繪制非結構網格時，如何提高網格質量？
1.流域交界面中的兩個面網格單元數應該基本相等，在ICEM中生成網格時，你所定義的每個面的網格單元數都會在命令框顯示出來，你只需要通過觀看兩個交界面的網格數，就可以保證滿足這個條件。當交界面兩邊網格數相差太大時，需要重新調整網格尺度，滿足此條件。
2. 網格質量不好時，可以通過光順網格來使網格矢量得到進一步的提高，光順的迭代步數可以稍微提高一些。
3. 當加了邊界層網格時，網格質量一般會下降，邊界層網格只在你比較關注標準壁面函數時有用，即y+值，這個只和第一層網格有關，如果對壁面沒有太大要求，可以不加邊界層，這樣就可以通過去掉邊界層改善網格質量。
4. 網格質量檢查的時候如果有少量網格質量比較低，可以通過調整不好的網格節點，操作步驟為選中質量不好的網格，其會在圖中高亮顯示，然后選Edit Mesh--Move nodes,然后選中三角形節點，調整網格盡量為等邊三角形，然后顯示網格，再進行光順，即可改善網格質量。如果還不行，可以通過將局部網格不好的地方的網格最大尺度變小，即在定義prim layer設置中，將max size調下即可。
5.ICEM網格質量提高方法:
檢查網格時，需要檢測的網格類型:
TETRA_4:四面體網格單元
TRI_3:三角形網格單元
PENTA_6:三棱柱網格單元
第一步:生成邊界層后將邊界層網格(三棱柱體網格和四邊形面網格)固定，然后對其余的網格smooth;
第二步:對所有的網格進行smooth。
這樣可以稍微改善一下網格質量。
本文來源：知乎，作者：楊淑娟。原始鏈接：https://www.zhihu.com/question/20851390/answer/26152732。著作權歸作者所有。商業轉載請聯系作者獲得授權，非商業轉載請注明出處。
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