计算流体动力学中网格生成技术的发展
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2011-11-28
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计算流体动力学中网格生成技术的发展
计算流体动力学作为计算机科学、流体力学、偏微分方程数学理论、计算几何、数
值分析等学科的交叉融合，它的发展除依赖于这些学科的发展外，更直接表现于对网格生
成技术、数值计算方法发展的依赖。
在计算流体动力学中，按照一定规律分布于流场中的离散点的集合叫网格（Grid）
，分布这些网格节点的过程叫网格生成（Grid Generation）。网格生成对 CFD 至关重要，
直接关系到 CFD 计算问题的成败。1974 年 Thompson 等提出采用求解椭圆型方程方法生成
贴体
网格，在网格生成技术的发展中起到了开创作用。随后 Steger 等又提出采用求解双曲型方
程方法生成贴体网格。但直到二十世纪八十年代中期，相比于计算格式和方法的飞跃发展
，网格生成技术未能与之保持同步发展。因而从二十世纪八十年代开始，各国计算流体和
工业界都十分重视网格生成技术的研究。二十世纪九十年代以来迅速发展的非结构网格和
自适应笛卡尔网格等方法，使复杂外形的网格生成技术呈现出了更加繁荣发展的局面。现
在网格生成技术已经发展成为 CFD 的一个重要分支，它也是计算流体动力学近二十年来一
个
取得较大进展的领域。也正是网格生成技术的迅速发展，才实现了流场解的高质量，使工
业界能够将 CFD 的研究成果——求解 Euler/NS 方程方法应用于型号设计中。
随着 CFD 在实际工程设计中的深入应用，所面临的几何外形和流场变得越来越复杂，
网格生成作为整个计算分析过程中的首要部分，也变得越来越困难，它所需的人力时间已
达到一个计算任务全部人力时间的 60%左右。在网格生成这一“瓶颈”没有消除之前，快速
地对新外形进行流体力学分析，和对新模型的实验结果进行比较分析还无法实现。尽管现
在已有一些比较先进的网格生成软件，如 ICEM、Gridgen、Gambit 等等，但是对一个复杂
的
新外形要生成一套比较合适的网格，其需要的时间还是比较长，而对于设计新外形的工程
人员来说，一两天是他们可以接受的对新外形进行一次分析的最大周期。CFD 已经成功地
缩
短了新外形设计中所需要的风洞实验时间，但在 CFD 对任意外形成为一种适时的分析工具
以
前，新外形设计中所需要的风洞实验时间依然非常巨大。要将 CFD 从专业的研究团体中脱
离
出来，并且能让工程设计人员应用到实际的设计中去，就必须首先解决网格生成的自动化
、即时性问题，R.Consner 等人在他们的一篇文章中，详细地讨论了这些方面的问题，并提
出：CFD 研究人员的关键问题是“你能把整个设计周期缩短多少天？”。而缩短设计周期的
主要途径就是缩短网格生成时间和流场计算时间。因此，生成复杂外形网格的自动化和及
时性已成为应用空气动力学、计算流体力学最具挑战性的任务之一。
当今，有众多研究人员对复杂外形的网格生成技术从分区结构网格、非结构网格和
笛卡尔网格三个不同的方向展开研究。
1．2．1 分区结构网格方法
分区结构网格方法将原始的物理区域按不同的空间拓扑结构分成若干区域块，每个
单块网格的拓扑结构简单，易于生成贴体网格，然后合并这些单域贴体网格来形成复杂外
形的空间网格。常用的传统单域贴体网格生成方法可分为代数网格生成方法、求解椭圆微
分方程生成方法和求解双曲微分方程生成方法，以及从求解椭圆微分方程生成方法发展而
成的求解抛物微分方程生成方法。近十多年来发展了不少新的分区结构网格。比较成熟的
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