CFD计算中的网格化步骤

网格化（meshing）是任何CFD计算过程最难的一步，直接影响计算结果，甚至模型的收敛效果。因此网格化过程也常称为前处理，是为解析过程做前期准备。采用数值方法求解控制方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到的离散方程组。要想在空间域上离散控制方程，必须使用网格^[43]。

网格是CFD模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。对于复杂的CFD问题，网格生成极为耗时，且极易出错，生成网格所需时间常常大于实际CFD计算的时间。CFD风场计算网格化的例子如图3-5所示，为WAsP与2013年初推出的CFD模型的网格实例^[42]。

图3-5 CFD风场计算网格化的例子^[42]

网格（grid）分为结构网格和非结构网格两种。结构网格（structured grid）为网格中节点排列有序，邻点间的关系明确的网格。对于复杂的几何区域，如地形复杂的风场，结构网格可以是分块构造的，这就形成了块结构网格（block-structured grids）。图3-5中使用的就是结构网格对风场进行网格化。

与结构网格不同，在非结构网格（unstructured grid）中，节点的位置无法用一个固定的法则予以有序地命名。这种网格虽然比较复杂，但却有着极好的适应性，尤其对具有复杂边界的流场计算问题特别有效。非结构网格的实例如图3-6所示。

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图3-6 湍流平原的非结构网格^[44]

网格单元（cell）是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的二维网格单元是四边形单元，3D网格单元是六面体单元。在非结构网格中，常用的二维网格还有三角形单元，三维网格还有四面体和五面体单元，其中五面体单元还可分为棱锥形（或楔形）和金字塔形等^[43]。

在风场模拟中，由于地形曲面十分复杂，千变万化，一套工程应用方便且具有普遍适用性的网格划分方法是首要的。网格化过程既要尽量解析真实的地表形态，还要符合风资源评估的技术要求。

在一个流场中，网格单元数量越多，计算成本越大，而且呈指数增长。计算成本包括时间成本和硬件成本。因此，为了控制计算成本，商业风资源评估CFD模型通常划分几万个网格单元，而专业的CFD计算过程动辄数百万个网格单元，非超级计算机难以完成计算。

过于精细的网格划分还有可能使模型失去稳定性，甚至崩溃，造成结果不收敛的严重后果。