第四章：几何建模与网格划分——从CAD到可计算域

各位同学，欢迎来到第四章。这一章，我们要解决一个很实际的问题：怎么把工程师画的CAD模型，变成CFD能算的网格。

说实话，我见过太多人在这步栽跟头。模型画得漂漂亮亮，一导入CFD软件就报错；网格剖得密密麻麻，算出来结果却不对。嗯，这章就是帮你避开这些坑的。

4.1 几何准备：CAD清理——别让脏数据毁了你的仿真

你想想看，CAD模型是为制造设计的，不是为CFD设计的。里面有多少细节？倒角、螺纹、小圆孔、装配间隙……这些在CFD里，往往是计算负担，不是精度来源。

核心原则：简化几何，保留流动特征。

我个人习惯，拿到CAD模型后，先做三件事：

1. 去倒角、去小特征——直径小于网格尺寸5%的圆孔、倒角，直接删掉。我在项目中遇到过，一个0.5mm的倒角让网格量翻了一倍，结果影响不到0.1%。
2. 修补缝隙和重叠面——CAD导入后经常出现“破面”。用软件里的“缝合”、“填充”功能，确保几何是封闭的。否则网格生成会直接报错。
3. 提取流道——如果是内流问题（比如管道、阀门），需要从实体中“挖”出流体区域。我常用布尔运算：实体减去固体，剩下的就是流体域。

4.2 网格类型选择——结构化 vs 非结构化，你选哪个？

网格类型，说白了就两大类：结构化网格和非结构化网格。各有各的脾气。

我个人的经验是：能用结构化，就别用非结构化。为什么？因为结构化网格的数值耗散小，同样的网格量，精度能高一个档次。但如果你遇到的是汽车外流场这种复杂几何，别硬撑——非结构化网格才是正道。

4.3 网格质量评价——三个核心指标

网格生成完了，别急着算。先检查质量。我见过太多人，网格一生成就点“Solve”，结果算到一半发散，白白浪费几小时。

三个核心指标，你必须记住：

4.3.1 正交性（Orthogonality）

正交性衡量的是网格线与边界之间的夹角。理想情况是90°，越接近越好。

• 优秀： > 70°
• 可接受： 30° ~ 70°
• 危险： < 20°（可能发散）

我在项目中遇到过，一个弯管网格的正交性只有15°，算出来的压力分布完全不对。后来加密了边界层网格，正交性提升到45°，结果才合理。

4.3.2 长宽比（Aspect Ratio）

长宽比是网格单元最长边与最短边的比值。比值越接近1越好。

• 主流区域： < 5
• 边界层区域： 可以到100~1000（因为需要拉伸网格捕捉梯度）
• 危险： > 1000（可能引起数值振荡）

嗯，这里要注意：边界层的长宽比大是正常的，但主流区域的长宽比一定要控制好。否则，你算出来的速度场会像锯齿一样。

4.3.3 偏斜度（Skewness）

偏斜度衡量网格单元偏离理想形状的程度。0表示完美，1表示完全扭曲。

• 优秀： < 0.3
• 可接受： 0.3 ~ 0.7
• 危险： > 0.9（必须修复）

4.4 网格无关性验证——你的结果可信吗？

网格无关性验证，说白了就是：你的计算结果，是不是依赖于网格密度？

怎么做？我一般用三步法：

1. 生成三套网格： 粗网格（1x）、中等网格（2x）、细网格（4x）。这里的“x”指的是网格数量倍数。
2. 计算关键物理量： 比如阻力系数、升力系数、压降、温度等。记录每套网格的结果。
3. 比较差异： 如果中等网格和细网格的结果差异小于1%~2%，说明网格已经无关了。

举个例子，我做过一个管道压降分析：

你看，中等网格和细网格的差异只有1.5%，说明100万网格已经够用了。没必要再加密到200万，白白浪费计算资源。

本章知识体系

下面这张图，帮你理清本章的核心逻辑：

这张图展示了本章的完整流程：从CAD清理开始，到网格类型选择，再到质量评价，最后通过网格无关性验证确保结果可靠。每一步都环环相扣，缺一不可。

好了，第四章的内容就到这里。记住：网格是CFD的基石。网格质量不好，后面再好的求解器、再精细的物理模型，都是白搭。我见过太多人，花90%的时间调求解器，却只花10%的时间做网格——结果算出来的东西，自己都不敢信。

下一章，我们会进入求解设置。但在此之前，我建议你亲手做一遍网格无关性验证。哪怕只是一个简单的管道，也能让你深刻理解“网格”这两个字的分量。