CFD中的网格非正交性质量标准检查-ANSA 前处理软件-CAE前后处理-软服之家

网格的非正交性，作为CFD仿真分析领域中最常用的质量标准检查项之一，本文将对其进行解读。

什么是网格的非正交性？

图1 网格非正交性示意图

如图所示，两个体单元由一个共享面连接。网格非正交性的定义为：公共面的法线向量与连接两个体单元面中心的向量之间的夹角 ()。对于像四面体、六面体、棱柱和多面体单元也是同样的处理方法。

由此可知，网格非正交性是一个在单元面上进行评估的量。一般来说，一个体单元存在着多个面，这些面中的每一个都存在一个与之相邻面的非正交角。这就是 CFD 求解器使用的度量标准——面的非正交性 (face non-orthogonality) 。

对于市场上大多数主流的 CFD 求解器来说，可以处理计算小于 70°的非正交角，随着非正交角的增加，CFD 求解器获得稳定的解的难度会越来越高。

OpenFOAM 和 ANSYS Fluent 对

非正交性的处理方式有何不同？

针对OpenFOAM求解器，ANSA 中设置的最大默认值为 70°，其计算面非正交性的方式与前述方法相同。

CFD中的网格非正交性质量标准检查

图2 OpenFOAM网格非正交性计算方式

不过，这种处理方式仍然不能完美地应用于所有情况。下图便列举出了一种特殊情况。左图所示采用的即是上述的面非正交性计算方法。您会发现，此时的公共面法线矢量看起来与连接两个体单元面中心的矢量平行，看起来约为 0°，但这两个单元远非处于完全正交的位置。

CFD中的网格非正交性质量标准检查

图3 两种网格非正交性的处理方式

针对这种情况，我们选择采用图3右侧所示的另外一种定义网格面非正交性的方式，即：使用连接单元1 (Cell 1)的单元格中心点和共享面中心的向量和公共面法线矢量形成的夹角。基于这种方式得到的非正交角度约为30°，那么这个角度比使用向量得到的 0°要准确和合适得多。

对于ANSYS Fluent求解器则是综合了上述两种方式来处理非正交角的。具体来说，它会使用体单元中所有面的向量和向量来计算，然后在整个单元中取其中最大的角度作为单元的非正交角(cell based non-orthogonality)从而保证每个单元只有一个非正交值，而不是多个。

图4 ANSYS Fluent网格非正交性计算方式

注意: ANSYS Fluent计算非正交角时会对进行标准化处理，最终得到介于0 到1 之间的值，而不是0° 到90°之间。(非正交角为0°时对应的质量值为1，为90°时对应的质量值为0)

简言之，当您在构建 CFD 网格并分析其质量时，这两种处理方法都是可以使用的，因为在对网格质量进行检查时，我们的最终目的是找出表现不好的单元，以便改进、重建和完善它们，从而获得更好的计算结果。

为什么网格的非正交性检查在CFD

领域里很重要？

对于CFD 求解器来说，求解的关键点在于计算其有限体积的离散度，这与纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)密切相关。进一步地，非正交角对方程的求解有着决定性的影响。随着非正交角的增大，往往会增加方程的不稳定性，使方程更容易发散。相反，当非正交角减小时，往往会增加和改善整个矩阵方程组的稳定性。因此，在 CFD 分析中，非正交性的网格质量检查非常重要，以确保 CFD 求解器能够得到计算结果。

如何在ANSA中进行网格非正交性

的检查和修复？

首先，通过 F11 快捷键打开 Quality Criteria质量标准窗口，激活non orthogonality非正交性选项，ANSA中对于OpenFOAM 和 Fluent 求解器设置的默认最大值均为 70 °。您也可以根据具体情况进行更改。设置完成后请记住按 “Apply”和“OK”再退出窗口。