在处理一些复杂的问题时,有时用上述网格生成方法并不能生成高质量的网格,而致使数值计算的精度不能满足要求,因此必须采用一些特殊的网格生成技术,主要有以下几种:
(1)曲面网格生成技术
曲面的网格划分[25]结果往往是三维实体网格划分的前提和基础,其质量的优劣对后续生成的三维实体网格的质量有很大影响。曲面网格的划分方法分为两大类:直接方法和间接方法。间接方法是指在参数平面(二维)划分网格通过映射函数把在参数平面网格划分结果映射到空间曲面中去;直接方法与间接方法相对应是指直接在空间曲面上进行网格划分。直接方法对于一些形状复杂的曲面网格的划分结果较差,并且划分的效率要比间接方法低得多,因此目前对于叶片泵的曲面网格划分大都采用间接方法,这样一方面避免了直接生成三维曲面网格的难度,同时发挥现已比较成熟的二维网格划分算法的优势。但是由于参数平面和曲面之间度量映射的非统一性,准确描述一个单元度量映射的畸变是不可能的,因此,映射到曲面上的网格质量不能完全保证。为了保证曲面上的网格质量,基于度量映射的曲面网格生成方法应运而生[26],这种方法充分考虑了映射变形,且求解速度快,能够取得满意的结果。
(2)动网格生成技术
在工程实际问题中,经常会遇到计算域随着时间的变化而变化的情况,如流体机械中的流固耦合问题[27]等,动网格技术的应用使此类问题的研究模拟结果更贴近于实际,既能解决固体域模型在流场中运动受到流体网格尺寸制约的问题,又能够处理边界条件和内部参数变化的问题。国内外众多学者提出了许多动网格生成技术,目前,主要有4种方法[28]:弹性平滑方法(Spring-Base Smoothing Method)、动态层方法(Dynamic Layering Method)、局部重划方法(Local Remeshing Method)和ALE方法(Arbitrary Langrangian Eulaerian Element)。前三种动网格划分方法是建立在有限体积法基础之上的,第四种方法是基于有限元基础上的。如几何模型形状大小变化不大时,使用弹性平滑方法可以满足精度要求并且节省计算时间;如果几何模型形状大小变化剧烈(如容积泵的数值计算),为了保证计算精度,对于四边形和六面体网格采用动态层方法比较合适,而对于三角形网格和四面体网格则采用局部重划方法能取得更好的计算结果。ALE方法多用于结构力学变形方面(如强度计算),计算工作量大,而且在求解流动与换热问题方面不如有限体积法成熟。动网格技术与其他网格生成方法的最大区别是能够与计算域几何形状的变化相吻合,并能根据计算域几何形状变化做出相应的调整,具有更高的网格生成效率和更精确的计算结果。(www.xing528.com)
(3)重叠网格生成技术
重叠网格又称为嵌套网格或叠合网格[29],是允许各个网格子区域相互重叠、嵌套或覆盖并在各个子网格间通过插值传递流场信息的一种结构网格方法,其网格与相邻的子网格具有重叠的公共区域。田书玲[30]用重叠网格技术对M6机翼下外挂物投放过程的非定常绕流进行了模拟。与其他多块分区网格方法(如对接网格,搭接网格等)相比,重叠网格具有如下优势:对子网格区域的边界没有特殊要求;各个子网格的处理是孤立事件,耦合很小(即对子网格的操作不会对整体网格产生影响)。重叠网格的技术核心是通过彼此“挖洞”(Hole Cutting)的方式建立起各网格间的耦合关系。
(4)自适应网格生成技术
为了使网格划分与数值求解过程结合,在20世纪90年代初提出了自适应网格技术[31]。自适应网格技术能对预先划分好的网格按照用户所定义的误差准则,自动进行误差判断并进行网格疏密程度的调整,即以最适合于所求解问题的方式来布置节点并确定其间的联系,进而取得令人满意的数值模拟计算结果。自适应网格技术是根据得到的误差信息决定解是否有足够的精度,若误差过大,则对网格进行改进使其满足精度要求。自适应网格原则上只需定义一种描述问题几何特性的初始网格及可接受的误差水平,计算机可自动产生能够实现这一有效水平的网格,可以大大提高分析效率和计算结果的可靠性。自适应网格除了在航空和气象领域应用外,在流体机械领域应用也极为广泛,例如,赵会军等[32]把该方法应用于长输管道的水力瞬变中。网格的自适应化能减轻雷诺数Re大时解的振荡问题以及数值扩散等问题,因此对于复杂流动与传热问题的求解网格的自适应化的重要性不容低估。自适应网格的最大优点在于它能与物理问题的解相适应,网格的疏密随物理量变化的梯度的大小而自动调节。
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