3.4 ICEM CFD网格划分简介
工程计算多采用成熟的商业软件作为求解器，因此大部分数值计算工作是由计算机完成的。网格生成占整个项目周期的80%～95%。生成一套高质量的网格将会显著提高计算精度和收敛速度。
按网格点之间的相邻关系，可将计算网格分为结构化网格、非结构化网格和混合网格。混合网格是结构网格和非结构网格的混合。
3.4.1 结构化网格
结构化网格可以用一个固定的法则予以命名，如图3-84所示为一个二维网格示意图，i、j为网格节点编号方向，该网格所有节点可以用i、j的编号来表示，如小圆的节点可以表示为i3j4。
图3-84 结构化网格
对于结构化网格，按拓扑结构不同一般可以分为O型、C型和H型三种。O型拓扑结构适合于两端都是钝截面的物体，椭圆形或椭圆形截面物体；C型拓扑结构适合于一端是钝头而另一端是尖截面的物体，如锥形截面物体；H型拓扑结构适合于两端都是尖截面的物体，如菱形截面的物体。
采用不同的网格拓扑结构生成的网格形状不同，网格的计算效率也有差异，因此要生成网格首先要分析其网格的拓扑结构。
结构化网格数据组织方便，计算效率和计算精度高。随着近几十年在结构网格生成技术方面的不断突破，目前主要飞机公司，如波音、空客等，用于军机、民机等气动设计的骨干软件都采用结构化网格；结构化网格的拓扑结构相当于矩形域内的均匀网格，其节点定义在每一层的网格线上，因而其存储比较简单，所需的存储空间也相对较小，但它对复杂几何外形的网格生成比较困难。
3.4.2 非结构化网格
非结构网格节点之间的连接是无序的，不规则的，非结构化网格的节点位置不能用一个固定的法则予以有序的命名，如图3-85所示。
图3-85 非结构化网格
与结构化网格相比，非结构化网格有以下优点：
（1）能够离散具有复杂外形的区域，因为非结构网格单元可以在任意计算区域中完全填充到整个空间，能相当精确地表示出物体的边界，从而保证了边界处的初始准确度。
（2）能够快速地在网格中增加、删除节点，处理动边界问题比较方便。
（3）能够很容易地采用自适应网格方法，从而提高解的质量。
当然，非结构网格生成方法也存在缺陷，即它需要较大的内存空间和较长的CPU占用时间，计算精度较差，且不适于黏性流场的求解。目前，非结构网格已广泛应用于定常气动流场数值模拟之中。
3.4.3 混合网格
混合网格是结构网格与非结构网格的组合，其继承了两种网格的优点，也弥补了两者缺点，近来发展较快，如图3-86混合网格示意图。
图3-86 混合网格
3.4.4 网格质量
网格质量与具体问题的几何特性、流动特性及流场求解算法有关。网格质量影响单元间的通量计算，因此直接影响计算精度和收敛的难易程度。网格质量的考核指标包括节点分布、光滑性及单元的形状等。
1）节点分布特性
连续性区域被离散化使流动的特征解（剪切层、分离区域、激波、边界层和混合区域）与网格上节点的密度和分布直接相关。如边界层内的节点分布对边界层解（即网格近壁面间距）影响较大，这对计算壁面剪切应力和热导率的精度有重要意义。由于平均流动和湍流的强烈作用，湍流的数值计算结果往往比层流更容易受到网格的影响，因此网格的分辨率对于湍流计算也很重要。在近壁面区域，不同的近壁面模型需要不同的网格分辨率。
2）光滑性
邻近单元体积的快速变化会导致大截断误差。截断误差是指控制方程偏导数和离散估计之间的差值。Fluent可以改变单元体积或网格体积梯度来精化网格，提供网格的光滑性。
3）网格的形状
网格的形状（包括网格的扭曲度、网格的长细比和相邻网格的面积比或体积比）对数值解的精度有明显的影响。网格的扭曲度指该网格和具有同等体积的边界网格外形之间的差别，一般要求不大于1，扭曲度太大会降低解的精度和稳定性。网格的长细比表示网格拉伸的度量，一般要求不大于5:1（边界层允许使用更大长细比的网格，一般不宜大于100:1）。对计算网格的一个最基本的要求当然是所有网格点的Jacobian必须为正值，即网格体积必须为正，其他一些最常用的网格质量度量参数包括扭角（Skew Angle）、纵横比（Aspect Ratio）以及弧长（Arc Length）等。
4）流动流场相关性
分辨率、光滑性、单元的形状对于解的精度和稳定性的影响强烈依赖于所模拟的流场。比如，在流动开始的区域可以有过渡歪斜的网格，但在具有大流动梯度的区域内，过渡歪斜的网格可能会使整个计算精度降低或失败。由于大梯度区域流动情况较为复杂，需要尽量保证整个流场内网格的高质量和局部位置的网格数量（局部加密），即需密度高、光滑性好、单元歪斜小。