多块网格划分技术在CFD仿真中的应用 ug高级仿真网格划分

　　摘要： 为提高CFD分析中网格划分的计算精度、减少计算时间、加速收敛，针对某手机的三维模型，采用稳态不可压缩层流分析，应用结构化网格和有限体积法进行计算区域和控制方程的离散.对模型设定边界条件并划分3种不同网格形式，比较可知多块网格划分不仅改善原有网格质量，而且能减少模拟计算时间，提高计算精度.
　　关键词： 多块网格划分； 结构化网格； 有限体积法； 温度场； 流场
　　中图分类号： O35; O241.82 文献标志码： B
　　Application of multi-block meshing technology in
　　CFD simulation
　　XU Minyan1, CHEN Huashu2, FAN Qinyin3, HU Guanghong1, 2
　　（ 1. Shanghai Shenmo Computer System Integration Co., Ltd., Shanghai 200030, China;2. National Engineering Research Center of Die CAD, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China;3. CRADLE Software Co., Ltd., Tokyo 152-8552, Japan）
　　Abstract： As to the fact that mesh would affect the accuracy, the time consumption and the convergence of CFD simulation, the computational domain and control equations of a 3D cellular phone model are discretized by steady-state incompressible flow analysis, structured mesh and finite volume method. Three different types of meshing with boundary conditions defined are compared accordingly. It is concluded that multi-block meshing could not only improve the mesh quality of original mesh, but also reduce the simulation time and enhance the computational precision as well.
　　Key words： multi-block meshing; structured mesh; finite volume method; temperature field; flow field
　　0 引 言
　　CFD可用于求解固定几何形状空间内的流体动量、热量和质量等相关的方程，并通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的有关数据.在CFD数值模拟中，网格划分精度与计算精度和计算时间关系密切：通常，较高的网格划分精度具有较高的计算精度，但计算时间也较长.
　　STREAM是日本CRADLE公司开发的一款基于有限体积法的CFD数值模拟软件，采用直角或圆柱坐标下的多块结构化网格划分技术.本文利用STREAM计算翻盖手机的温度场和流场，分析比较CFD数值模拟中单块结构化网格划分技术与多块结构化网格划分技术在计算精度和计算时间上的区别.
　　1 多块结构化网格简介
　　多块结构化网格指将求解域划分为若干个形状简单的块，在各个块中分别生成网格.多块结构化网格又可分为多块拼接网格和嵌套网格两大类，多块拼接网格的块与块之间有公共交界面，而嵌套网格的块与块之间相互嵌套在一起.［1］STREAM使用多块拼接网格.
　　多块拼接网格可以在保证网格划分精度的同时减少网格数量，加速收敛，从而减少计算时间、节省内存.以手机芯片的网格划分为例，若采用过粗的网格（见图1（a）），则会因网格密度不够导致无法得到有效的分析结果；单块网格划分（见图1（b））对不需要加密网格的地方也一并细化，增加计算负担；采用多块拼接网格划分（见图1（c））则可以实现局部网格密度的细化.
　　2 手机温度场、流场计算
　　2.1 计算区域
　　采用STREAM对翻盖手机周围的流场和温度进行分析，见图2. 为考虑辐射的层流稳态分析［2］，采用外部流动的自然对流形式对模型进行热分析［3］，计算区域的划分方法如下：相对于物体的最大长度为h，重力方向为1.0×h，重力反方向为（1.5-3）×h，四周方向为1.0×h.由于5 mm以下的元件对于分析结果的影响可以忽略，为节省计算时间，利用体积判断法删除5 mm以下非发热元件，并简化复杂元件.
　　2.2 边界条件
　　对零部件的材质进行设定，初期温度为20 ℃，发热元件的发热量分别设为0.3 W和0.025 W；电池发热量为2.5 W.辐射分组方法也可大大减少计算时间，故依据辐射角因数对辐射面进行分组.本文将总分组数设为1 500组，并检查组数，即对组数少于面数的元件再进行修正，分组时，原则上1个面至少有1个组数.由于是稳态计算，可将计算循环周期设为100.
　　2.3 网格划分
　　分块网格技术可用于复杂几何外形的网格生成［4］.
　　方法1 单块网格划分，采用粗网格+基准长度和等比率进行网格细化［5］，见图3.基准长度(x, y, z)=（1,1,1),内部和外部等比率分别为1.0和1.2.划分的全部网格数为5.46×106个.
　　方法2 建立二块网格，即在手机周围区域建立子网格，见图4.主网格长度(x, y, z)=(3, 3, 3)，内部和外部等比率分别为1.0和1.2；子网格长度 (x, y, z)=(1, 1, 1)，等比率为1.0.网格划分完成后，全部网格数为 3.37 ×106个.