高速流体力学中的网格生成与优化技术
流体力学中的流体流动仿真研究
流体力学中的流体流动仿真研究引言流体流动是流体力学中的一个重要研究领域，它是指流体在外力作用下的运动过程。
通过数学建模和计算仿真技术，可以对流体流动进行准确的模拟和预测。
流体流动仿真在许多领域中都有广泛的应用，例如风力发电、空气动力学、海洋工程等。
本文将从基本概念、数学模型、数值方法和应用案例等方面介绍流体力学中的流体流动仿真研究。
1. 基本概念1.1 流体流体是指物质在外力作用下，可以自由流动的状态。
常见的流体有液体和气体。
流体具有流动性、变形性和不可压缩性等特点。
流体流动是指流体的质点在空间中的运动过程。
1.2 流动性质流动性质包括速度场、流量和压力等。
速度场描述了流体流动的速度分布情况。
流量是指单位时间内流过某一截面的流体质量或体积。
压力是指单位面积上的力的大小。
这些性质的研究对于理解和预测流体流动行为具有重要意义。
1.3 流动仿真流动仿真是指利用数学建模和计算机仿真技术对流体流动进行模拟和预测。
通过建立流体力学方程组和边界条件，可以计算流体的速度场、流量和压力等参数。
流动仿真可以通过计算机模拟得到流体流动过程的详细信息，从而提供理论分析和工程设计的依据。
2. 数学模型2.1 流体连续性方程流体连续性方程是描述流体流动的基本方程之一。
它可以表达质量守恒定律，即单位时间内通过某一截面的流体质量不变。
流体连续性方程可以用偏微分方程的形式表示。
2.2 动量方程动量方程是描述流体流动的另一个基本方程。
它可以表达动量守恒定律，即单位时间内通过某一截面的动量变化等于外力对流体的作用力。
动量方程也可以用偏微分方程的形式表示。
2.3 能量方程能量方程是描述流体流动的第三个基本方程。
它可以表达能量守恒定律，即单位时间内通过某一截面的能量变化等于能量的输入和输出之差。
能量方程也可以用偏微分方程的形式表示。
2.4 边界条件边界条件是指在数学模型中所设定的流动区域边界上的条件。
边界条件可以是速度、压力或温度等参数的给定值，也可以是流体与固体边界之间的相互作用模型。
计算流体力学网格生成方法阅读笔记
《计算流体力学网格生成方法》阅读笔记目录一、内容概要 (3)1.1 计算流体力学概述 (4)1.2 网格生成在CFD中的重要性 (4)二、网格生成基础 (5)2.1 网格概述 (7)2.1.1 定义与分类 (8)2.1.2 网格参数与特性 (9)2.2 网格生成方法分类 (11)2.2.1 手动网格生成技术 (12)2.2.2 自动网格生成技术 (13)三、详细阅读 (15)3.1 笛卡尔网格生成技术 (16)3.1.1 技术原理 (17)3.1.2 优缺点分析 (19)3.1.3 应用实例 (20)3.2 贴体网格生成技术 (21)3.2.1 技术原理 (23)3.2.2 优缺点分析 (24)3.2.3 应用实例 (25)3.3 混合型网格生成技术 (25)3.3.1 技术原理 (26)3.3.2 优缺点分析 (28)3.3.3 应用实例及组合策略 (29)四、网格优化与改进 (30)4.1 网格优化概述 (31)4.1.1 优化目标与原则 (33)4.1.2 优化流程与方法 (34)4.2 网格改进技术 (35)4.2.1 局部网格加密技术 (37)4.2.2 网格平滑技术 (38)4.2.3 网格自适应技术 (39)五、网格生成在CFD软件中的应用实践 (41)5.1 典型CFD软件介绍 (43)5.1.1 软件功能与特点 (45)5.1.2 网格生成模块的应用 (46)5.2 CFD软件中网格生成方法实例分析 (47)5.2.1 实例选择背景 (49)5.2.2 网格生成过程与技巧 (50)5.2.3 结果分析与评估 (52)六、总结与展望 (53)一、内容概要《计算流体力学网格生成方法》一书深入探讨了计算流体力学中网格生成的重要性及其多种方法。
本书首先介绍了计算流体力学的基本概念、应用领域及其发展历程，为读者理解网格生成在其中的角色和作用奠定了基础。
详细阐述了网格生成的基本原理和分类，包括结构化网格、非结构化网格以及混合网格等。
网格生成及修正技巧
网格生成及修正技巧1引言网格是CFD 模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。
网格质量对CFD 计算精度和计算效率有着重要的影响。
对于复杂的CFD 问题，网格的生成极为耗时，并且极易出错，生成网格所需的时间常常大于实际CFD 计算的时间。
因此，有必要对网格生成以及修正方法进行足够的研究。
考虑到目前的CFD 计算多是通过专用的网格生成软件来划分所需要的网格，因此，本文就如何利用专用前处理软件GAMBIT 来介绍网格的生成和修正技巧。
2 网格类型网格主要有两种：结构网格和非结构网格[1] [2]在结构网格中，常用的2D 网格单元是四边形单元，3D 网格单元是六面体单元。
而在非结构网格中，常用的2D 网格单元还有三角形单元，3D 网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元还分为棱锥形(或楔形)和金字塔形单元等。
结构网格的最大特点在于网格中节点排列有序，邻点间关系明确，结构简单，构造方便，与计算机语言自然匹配，容易计算，网格生成速度快，质量好，数据结构简单等优点；缺点是适用的范围比较窄，只适用于形状规则的图形，对复杂几何形状的适应能力差。
非结构网格舍去了网格节点的结构性限制，易于控制网格单元的大小、形状及节点位置，灵活性好，对复杂外形的适应能力强——流场变化比较大的地方，可以进行局部网格加密。
但其无规则性也导致了在模拟计算中存储空间增大，寻址时间增长，计算效率低于结构化网格，计算时间长等缺点。
[1]。
（a ）三角形 （b ）四边形图1 常用的2D网格单元（a ）四面体 （b ）六面体 （c ）五面体（凌锥） （d ）五面体（金字塔）图2 常用的3D 网格单元3 单连域与多连域网格网格区域分为单连域和多连域两类。
所谓单连域是指求解区域边界线内不包含有非求解区域的情形。
如果在求解区域内包含求解区域，则称该求解区域为多连域。
所有的绕流流动，都属于典型的多连域问题，其网格主要有O 型和C 型两种[1]。
网格生成技术概述
§9网格生成技术概述所谓网格划分就是把空间上连续的计算区域划分成许多子区域，并确定每个子区域中的节点。
网格划分的实质就是用一组有限个离散的点来代替原来连续的空间。
网格生成技术是计算传热学（NHT）和计算流体力学（CFD）的重要组成部分，在目前的CFD&NHT工作周期中，网格生成所需人力时间约占一个计算任务全部人力时间的60%左右，网格质量的好坏直接影响数值结果的精度，甚至影响数值计算的成败。
可见网格生成技术是CFD&NHT作为工程应用的有效工具需要解决的关键技术之一。
最初，因为主要从事理论研究，求解的方程通常是比较简单的模型方程。
对于二维问题，常在比较规则的区域内研究问题，此时针对具体的问题可用较简单的代数方法生成网格，并做简单的自适应，网格问题并不突出。
但是对于有实际应用价值背景的问题，如航空航天飞行中的高超声速流动、跨音速流动以及其它多介质、高温高压系统的计算流体力学问题。
这些问题所涉及的流场十分复杂，会出现各种形式的间断，必须采用非常密的网格才能对间断有较高的分辨，从而达到需要的计算精度。
事实上，计算流体力学的发展除了依赖于计算机和数值计算方法的发展以外，还在很大程度上依赖于网格技术的发展。
因此，近几十年来网格生成技术己受到越来越多的计算数学家、计算流体力学家的重视，并己经成为计算流体力学发展的一个重要分支。
1. 网格单元的分类单元（cell）是构成网格的基本元素。
在结构网格中，常用的2D网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。
而在非结构网格中，常用的2D网格单元还有三角形单元，3D网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元还可分为棱锥形（或楔形）和金字塔形单元等。
图1和图2分别示出了常用的2D和3D网格单元。
图1 常用的二维网格单元图2 常用的三维网格单元2. 网格生成方法分类网格生成方法的分类表示于图3中。
（1）结构化网格自20世纪80年代开始，各国计算流体和工业界都十分重视网格生成技术的研究，首先发展了结构网格方法。
高速网格计算中的并行算法优化研究与设计
高速网格计算中的并行算法优化研究与设计随着科学技术的不断发展，人们对计算能力的需求也越来越高。
高速网格计算作为一种常见的计算模型，广泛应用于各个领域，如气象学、地质学和生物学等。
但是，由于数据量庞大、计算复杂度高等问题，高速网格计算往往需要运用一些并行算法来提高计算效率。
本文将围绕高速网格计算中的并行算法优化展开研究与设计，从几个方面对这个问题进行探讨。
首先，我们需要了解高速网格计算的基本原理。
在高速网格计算中，计算区域被划分为一个个网格，每个网格上的计算规则相同。
通过不断迭代计算，将各个网格的计算结果不断更新，最终得到整个计算区域的结果。
然而，由于计算区域通常很大且计算复杂度高，传统的顺序计算方法效率低下，因此需要采用并行算法进行优化。
其次，我们可以从数据划分、负载均衡和通信开销等方面来优化高速网格计算中的并行算法。
首先，数据划分是并行算法设计中的重要环节。
将计算区域划分为多个子区域，并将各个子区域分配给不同的计算资源，可以有效提高并行计算的效率。
其次，负载均衡是指将计算任务均匀地分配给不同的计算资源，使得各个资源利用率较为平衡。
通过动态负载均衡策略，可以根据计算任务的大小和计算资源的处理能力来实现负载均衡。
最后，通信开销是指在并行计算中，不同计算节点之间进行通信所需的时间和资源。
减少通信开销可以提高计算效率。
可以通过数据局部性和通信合并等策略来减少通信开销，使得并行算法更加高效。
另外，并行算法优化还可以从算法设计和优化器选择等角度进行研究。
在高速网格计算中，选择合适的算法设计可以显著提高计算效率。
例如，对于常用的迭代计算算法，可以通过设计适当的终止条件和调整迭代步长等来减少计算时间。
此外，优化器的选择也对并行算法的性能有着重要影响。
针对不同的问题，选择适合的优化器可以提高计算效率。
常见的优化器有遗传算法、模拟退火算法等。
除了上述方法，我们还可以应用其他的优化策略来提高高速网格计算的并行算法效率。
高级CAD流体力学模拟与优化技巧
高级CAD流体力学模拟与优化技巧CAD流体力学模拟是一种应用CAD技术对流体力学问题进行模拟和分析的方法。
在工程设计中，模拟流体力学现象可以帮助工程师优化设计方案，减少试错成本，并提高产品性能。
在这篇文章中，我们将讨论一些高级CAD流体力学模拟与优化的技巧。
1. 定义准确的边界条件：在进行流体力学模拟之前，我们首先需要定义准确的边界条件。
边界条件包括流体的入口速度、出口压力、固体边界的摩擦系数等。
确保边界条件的准确性可以提高模拟结果的精度和可靠性。
2. 网格生成与优化：网格生成是流体力学模拟的关键步骤，它将计算区域离散化为小的单元。
合适的网格可以提高计算精度和效率。
在生成网格时，需要根据模拟对象的几何形状和流场特性进行调整。
同时，也可以通过网格优化方法改善网格的质量和分辨率。
3. 选择合适的求解器：在流体力学模拟中，求解器是解决流体力学方程组的核心部分。
不同的求解器适用于不同的流场问题。
在使用求解器时，需要根据模拟对象的几何形状、流体性质和问题类型选择合适的求解器，以提高模拟精度和计算效率。
4. 设置适当的物理模型：在流体力学模拟中，合适的物理模型可以更好地捕捉流体的行为。
例如，可以选择适当的湍流模型来描述湍流现象，选择适当的辐射模型来描述传热行为。
同时，还可以考虑其他现象，如多相流、传质等。
5. 进行后处理分析：流体力学模拟的结果通常以流场图、剪切力分布等形式呈现。
为了更好地理解结果，可以进行后处理分析。
例如，可以通过流线、等值线、涡量等工具来分析流场的流动特性。
同时，也可以对特定区域进行局部分析，以获得更详细的结果。
6. 优化设计方案：流体力学模拟可以帮助工程师优化设计方案。
通过改变几何形状、材料选用等参数，可以比较不同方案的性能差异。
根据模拟的结果，可以进行参数调整和方案优化，以达到性能优化的目的。
7. 参数敏感性分析：在进行流体力学模拟时，可能存在一些输入参数的不确定性。
通过参数敏感性分析，可以评估输入参数对结果的影响。
第3讲-网格生成技术简介PPT课件
• 结构化网格
网格的类型
• 非结构化网格
• 混合网格
进入
Dy
网格间距重要性I
壁面
壁面
流向
流出
均匀网格间距
Dy
d
y u
均匀网格
计算所得速度曲线
y u
计算所得速度曲线
物理边界层
x
展宽网格
物理Hale Waihona Puke 界层非均匀网格间距x
.
5
网格间距重要性II
入口
最大正向速度
顶部壁面
h 台阶
分界流线
回流涡团
2h
最大负向速度
20
基于求解的自适应加密
.
21
实例—方腔拖曳流动
• 不可压缩流动研究的经典案例
实例—方腔拖曳流动
• 不同网格类型的影响
实例—方腔拖曳流动
• 不同网格类型的影响—速度云图
实例—方腔拖曳流动
• 不同网格类型的影响—收敛性
实例—方腔拖曳流动
• 不同网格类型的影响—中轴线上速度分布
实例—方腔拖曳流动
第三讲网格生成技术简介屠基元教授清华大学墨尔本皇家理工大学非均匀网格间距流出进入流向计算所得速度曲线物理边界层计算所得速度曲线物理边界层展宽网格均匀网格间距ii计算网格最大负向速度出口2h分界流线最大正向速度顶部壁面底部壁面台阶入口回流涡团正交结构化网格贴体结构化网格圆筒内部结构化网格和非结构化网格的划分structuredmeshunstructuredmesh顶点顶点顶点顶点结构化网格非结构化网格在顶点处倾斜的单元10带不匹配单元表面的正交结构化网格11匹配与不匹配单元表面的多块结构化网格12131415hexatetra16hexatetraii171819ii20rmituniversity21不同网格尺度的影响四边形中轴线上的速度分布rmituniversity29最佳网格多是非均匀的流场梯度较大的区域细化网格梯度较小的区域采用较粗网格
流体机械CFD中的网格生成方法进展
文章编号: 1005 0329(2010)04 0032 06技术进展流体机械CFD中的网格生成方法进展刘厚林,董 亮,王 勇,王 凯,路明臻(江苏大学,江苏镇江 212013)摘 要: 网格生成技术是流体机械内部流动数值模拟中的关键技术之一,直接影响数值计算的收敛性,决定着数值计算结果最终的精度及计算过程的效率;本文在分析大量文献的基础上,首先,对流体机械CFD中的网格生成方法即结构化网格、非结构化网格、混合网格进行了比较全面的总结,系统地分析这些网格划分方法的机理、特点及其适用范围;其次,对特殊的网格生成技术,如曲面网格生成技术、动网格技术、重叠网格生成技术、自适应网格技术进行了阐述;再次,指出了良好的网格生成方法应具备的特点;最后提出了网格生成技术的发展趋势。
关键词: 流体机械;网格生成;计算流体动力学;动网格;自适应网格中图分类号: TH311 文献标识码: A do:i10.3969/.j i ssn.1005-0329.2010.04.008Overvie w onM esh Generati o n M et hods i n CF D of F lui d M achineryL IU H ou-lin,DONG L iang,W ANG Y ong,W ANG K a,i LU M i ng-zhen(Jiangsu U n i v ers it y,Zhenji ang212013,Ch i na)Abstrac t: M esh genera ti on techno logy i s one of the cr iti ca l technology f o r fl u i d m ach i nery fl ow nume rica l s i m u l at-i on,and d-i rectly i nfl uence t he astr i ngency o f nume rical si m u l a ti on,wh ich has an i m portan t e ffect on the nu m er ica l s i m u l a tion results,fi na l precision and the effi c i ency o f compu tati onal process.O n the bas i s o f analyzi ng a great dea l litera t ures,firstl y,m esh genera ti on m ethods and t heory of fluid m ach i nery are comprehens i ve l y su mm ar i zed such as structured mesh,unstructured mesh,hybrid gr i d and respecti ve re lati ve m erits and the pr i nciple,charac teristcs and scopes of t hese m ethods we re sy stema ti ca lly ana l ysed.Second-ly,Spec i a lm esh generation m ethod w ere su mm ar i zed,such as surface m eshi ng,m ov ing gr i d,adapti ve gr i d and especiall y i ntro-duced the pr i nci p le and app licati on areao f adapti ve g ri d.T h irdly,the character i sti c o f m esh g enerati on m e t hod w ere pion ted out.F i na lly,t he trends of mesh generati on are presen ted,and the tre m endous d ifference i s analyzed i n mesh au t om atic gene ra tion at a-broad and the necessary o f exp l o iti ng CFD soft w are and resea rchi ng the m esh auto m atic gene ration techn i que i n our country are put forwa rd.K ey word s: fl uids m achi nery;m esh g enerati on;co m puta ti ona l fl u i d dyna m ics;mov i ng gr i d;adaptive gr i d1 前言计算流体动力学(CFD)中,按一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格,产生这些节点的过程叫网格生成。
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高速流体力学中的网格生成与优化技术
近年来，高速流体力学中的网格生成与优化技术受到了研究人
员的广泛关注。
由于高速流体力学的特殊性质，在求解流场的过
程中，非常重要的一步就是针对计算区域的几何特征进行网格生
成与优化，以确保计算结果的准确性和可靠性。
高速流体力学中流场具有高速、高温、高压等特殊性质，对数
值计算模型的精度和稳定性要求很高。
同时，高速流体力学的计
算区域通常具有复杂的几何形状，在对计算区域进行网格划分时，要确保网格的质量和密度均匀性。
因此，网格生成与优化技术在
高速流体力学中具有重要意义。
网格生成与优化技术可以分为三个阶段，分别是前处理阶段、
求解阶段和后处理阶段。
其中，前处理阶段主要是对计算区域进
行网格生成与优化，求解阶段是对流场进行数值模拟计算，后处
理阶段则是对计算结果进行处理和分析。
在前处理阶段，网格生成与优化技术旨在产生最适合数值模拟
的网格。
一些经典的网格生成方法包括结构式网格生成方法、非
结构式网格生成方法和混合式网格生成方法。
其中，结构式网格
生成方法生成的网格结构简单，适用于较简单的几何形状；非结
构式网格生成方法可以应用于更为复杂的计算区域，但由于其网
格结构较为复杂，对计算资源的要求较高；混合式网格生成方法
则将上述两种方法相结合，兼具了两者的优点，适用于大部分计
算区域。
在网格生成的过程中，还需要考虑网格质量的问题。
网格质量
的优劣对数值模拟的精度和稳定性具有很大的影响。
目前，常用
的网格优化方法包括达拉伯勒变换法、Laplace算子法、梯度坐标
法等。
这些方法可以对网格进行优化，使得网格的质量更加优良。
在求解阶段，基于已经生成的网格进行数值模拟计算。
目前常
用的数值模拟方法包括有限体积法、有限差分法、有限元法等。
这些方法都是基于数值计算原理，将流动控制方程式离散化后，
通过数值解算的方法进行计算。
由于高速流体力学的数值模拟具
有高精度、高稳定性等优点，在工程领域中得到了广泛应用。
在后处理阶段，主要是对求解结果进行处理和分析，以获得有
用的信息。
一般来说，后处理的工作包括数据的可视化、数据的
处理与分析等。
针对高速流体力学的后处理技术，目前主要是基
于计算流体力学(CFD)软件，使用Python、Matlab等语言进行数据处理与分析。
综上所述，高速流体力学中的网格生成与优化技术是非常重要的，可以直接影响到模拟计算的精度和稳定性。
未来，随着计算机硬件和算法的不断提升，高速流体力学的数值计算将会更加精确，更加高效。