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多面体网格的优点及组合光顺成果

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-10 多面体网格的优点多面体模型对网格数量的依赖性比四面体小，只需四面体网格数的1/4即可保证计算精度，同时收敛速度、趋势更好于四面体网格。将两部分网格组合和光顺后，即成为图2-11所示的网格。

1.STAR-CCM+的网格方案

使用STAR-CCM+进行模拟，首先需要一套离散计算域空间的体网格，STAR-CCM+既支持从外部读入各种格式的体网格文件，也可以使用STAR-CCM+生成。

STAR-CCM+可以读入的面网格文件类型主要包括：

STL files（.stl）

IGES files（.iges，.igs）

STEP files（.step，.stp）

Parasolid Transmit files（.xb，.xt）

pro-STAR database files（.dbs）

pro-STAR input（cell/vertex）files（.inp）

STAR CCM files（.ccm）

pro-STAR mesh files（.ngeom）

NASTRAN files（.nas）

PATRAN files（.pat）

FLUENT case files（.cas）

STAR-CCM+支持读入的体网格文件类型主要包括：

CD-adapco CCM Files（.ccm，.ccmg，.ccmp，.ccmt）

pro-STAR mesh files（.ngeom）

Fluent case files（.cas，.grd，.msh）

Plot3D input files（.grd，.msh，.p3d，.xyz）

Gridgen input files（.grd）

Abaqus input files（.inp）

Visual Toolkit input files（.vtk）

Ensight input files（.case）

RadTherm input files（.ntl，.neu）

网格处理工具主要包括以下几种：

1）面网格工具，包括：包面工具（Surface wrapper）、重构工具（Surface remesher）、漏洞填充工具（Hole filler）、线条压缩工具（Edge zipper）以及特征线提取和编辑工具等。

2）体网格工具，包括：四面体网格生成器（Tetrahedral mesher）、多面体网格生成器（Polyhedral mesher）和Trimmed网格生成器（Trimmed mesher）。

3）边界层网格工具：Prism layer mesher。

4）精细网格调节工具：Volumetric Controls（局部参数设置，可用于设置局部加密区）。

5）网格变换工具：Transform（平移）、Rotate（旋转）、Scale（缩放）和Reflect（映射）。

6）其他，如对边界（Boundaries）和区域（Regions）的分裂（Split）和合并（Combine），以及创建、删除和融合交界面（Interfaces）等。

2.STAR-CCM+的网格形式

STAR-CCM+具有功能强大的网格生成器，可自动划分多面体网格、四面体网格、Trimmed网格。

多面体网格（Polyhedral Mesh）如图2-3所示。

四面体网格（Tetrahedral Mesh）如图2-4所示。

Trimmed网格（Hexahedral：6面体核心）如图2-5所示。

Trimmed网格（Dodecahedral：12面体核心）如图2-6所示。(https://www.chuimin.cn)

边界层网格（Prism Mesher）如图2-7所示（位于管体边缘）。拉伸层网格（Extruder Mes-her）如图2-8所示（位于左侧）。

薄壁层网格（Thin Mesher）如图2-9所示。薄壁层网格用于薄板或薄面的网格划分。

图2-3 多面体网格(Polyheclral Mesh)

图2-4 四面体网格(Tetrahedral Mesh)

图2-5 Trimmed网格（Hexahedral：6面体核心）

图2-6 Trimmed网格（Dodecahedral：12面体核心）

图2-7 边界层网格

图2-8 拉伸层网格

（1）四面体网格四面体是一种比较简便的自动划分方式。每个四面体有四个相邻单元，对于单元中心的数值是采用线性的近似。但是，当相邻节点的空间位置接近于一个平面时，垂直于这个面的梯度就难以计算准确；当一个单元的面位于边界上时，它的相邻三个单元计算可能出现计算不准，在计算区域的边和角的位置，四面体的问题更突出。

（2）多面体网格多面体网格源自于“蜂窝猜想”这一数学问题：六边形拓扑网格可以利用最少的周长划分相同面积。多面体网格的优点如图2-10所示。

图2-9 薄壁层网格

多面体网格克服了传统网格的缺点：

1）有更多的相邻单元，梯度的计算和当地的流动状况预测更准确。

2）多面体对几何的变形没有四面体敏感。智能的网格工具使得单元可以自动融合、分裂，或者增加新的点、线、面。

3）对于存在回流的流动，多面体的计算精度甚至超出Hexa网格。

STAR-CCM+可以接受目前流行网格生成软件的网格（Hexa、Tetra等），也可以求解多面体网格（Poly）。多面体网格和相同数量的四面体网格（Tetra）相比，不但计算结果更精确，而且求解速度快3～5倍。

图2-10 多面体网格的优点

多面体模型对网格数量的依赖性比四面体小，只需四面体网格数的1/4即可保证计算精度，同时收敛速度、趋势更好于四面体网格。

（3）Trimmed网格Trimmed网格的划分原理如图2-11所示，以带边界层的圆柱体网格划分为例，Trimmed网格的划分可用以下四步来概括：

1）首先将圆柱体用一条内边框（边界层边界）作为区分边界层（Prism layer mesh）与中心网格（Core mesh）的边界，边界层边界与真实边界（圆柱体边界）的距离为所设边界层的厚度。

2）用圆柱体去切割六面体网格的长方体（虚拟的长方体，将圆柱体包含在内）。

3）圆柱体中边界层边界内的网格留下，中心为六面体网格（Core mesh），边界层边界附近留下的为不规则网格（可能为四面体）。

4）边界层内生成网格（如果几何表面较为复杂，边界层网格不一定为六面体网格）。将两部分网格组合和光顺后，即成为图2-11所示的网格。

由此可见，Trimmed网格又称为切割体网格。

图2-11 Trimmed网格的划分原理

Trimmed网格保证了大部分区域为计算性能较好的六面体网格，也就保证了计算的精度。