3. 几何清理与计算域构建
在工业流场CFD项目中，网格质量的上限往往在几何阶段就已经被决定。CAD模型面向制造与装配，而CFD需要的是“封闭、干净、尺度合理”的流体空间，两者目标不同，因此几何清理与计算域构建是仿真流程中不可跳过的一步。本节围绕四个关键动作展开：CAD导入与修复、多余特征去除、流体域抽取、内流/外流计算域确定原则。
一、CAD导入与修复：先诊断，再动手
常见导入格式包括 STEP（.stp/.step）、IGES（.igs/.iges）、Parasolid（.x_t）、ACIS（.sat）以及原生格式如 CATIA、NX、SolidWorks 文件。推荐优先使用 STEP AP214/AP242，它对实体与装配层级的保留较好。导入后不要急于修补，先做一次“几何体检”，重点检查以下项目：
- 自由边与缝隙：相邻面之间未缝合，形成开放边界，导致流体域无法封闭。
- 重复面与重叠面：同一位置存在两层曲面，网格生成时会产生自相交。
- 小面与碎面：面积远小于目标网格尺寸的面片，会强制局部加密。
- 尖角与细长条：夹角接近0°或面片长宽比过大，易产生负体积网格。
- 法向不一致：相邻面法向相反，缝合后仍无法形成有效实体。
修复顺序通常为：缝合自由边 → 删除重复面 → 修补缺失面 → 合并碎面 → 统一法向 → 检查实体封闭性。以某离心泵蜗壳为例，导入后检测到 37 条自由边，主要分布在隔舌与出口法兰过渡处；采用 0.05 mm 缝合容差缝合后剩余 6 条，再通过“填充孔”补面，最终得到单一封闭实体。容差不宜盲目放大，一般取模型最小特征尺寸的 1/1000～1/100，过大会把本应保留的窄缝“粘死”。
二、多余特征去除：为网格减负
CAD中的倒角、圆角、螺纹、铭牌、小孔、凸台、装配间隙等，对流动影响很小，却会显著增加网格量与网格畸变风险。去除原则是：只保留对流动有实质影响、且尺度大于目标网格尺寸的特征。常用处理方式包括：
- 倒角/小圆角（半径小于局部网格尺寸的1/2）：直接抑制或删除，用尖角替代。
- 螺纹、螺栓孔、工艺孔：若不在主流路径上，可填充为实体。
- 铭牌、标识、装饰凸台：删除或投影到表面。
- 装配间隙、密封槽：按实际泄漏与否决定保留或封闭。
需要提醒的是，去除特征必须记录在案，形成“几何简化清单”，便于后续验证与追溯。例如某阀门内流道模型中，原始CAD含 128 个螺栓孔与 46 处倒角，简化后仅保留阀座与流道过渡圆角，网格量从约 1200 万降至 380 万，而阀门流量系数（Cv）计算结果与未简化模型偏差小于 1.5%。
三、流体域抽取：从固体到流体空间
流体域抽取的本质是“用固体边界围出流体所占的空间”。对于内流问题，通常采用布尔减运算：以外包围体减去固体部件，得到流体域。操作要点如下：
- 确认固体部件为封闭实体，否则布尔运算会失败或产生碎片。
- 建立足够大的外包围体，确保流体域完整包裹流道。
- 执行布尔减，检查结果是否为单一连通实体。
- 对流体域进行“封闭性检查”，确认无自由边、无内部空腔。
对于外流问题，流体域通常是“外包围体减去固体”，但外包围体本身即为计算域，需按下一节原则确定尺寸。若模型为薄壁结构（如换热器板片、汽车车身），还需注意壁厚是否被正确保留，必要时用中面或加厚方式处理。
四、内流/外流计算域确定原则
计算域大小直接影响边界条件对内部流动的“污染”程度。原则是：边界应远离流动剧烈变化区域，使边界上的流动接近充分发展或自由来流状态。
内流计算域：入口段一般取 3～5 倍水力直径，出口段取 5～10 倍水力直径，以确保出口无回流。若出口可能出现回流，应进一步延长或改用压力出口并允许回流。对于弯管、阀门等强旋流部件，下游延长段建议不小于 10 倍管径。
外流计算域：以绕流物体特征尺寸 D 为基准，常用经验范围为：上游 3D～5D，下游 10D～15D，侧向与顶部各 5D～10D。若关注尾流精细结构，下游可增至 20D。阻塞比（物体迎风面积/计算域迎风面积）建议小于 3%～5%，以减小边界对流动的约束。
以下SVG以“内流/外流计算域确定”为核心，展示从CAD导入到计算域构建的关键判断路径与典型尺寸关系，帮助建立几何处理与边界设置之间的对应关系。
五、几何处理与计算域的协同检查
完成上述四步后，建议做一次“几何—计算域—边界条件”一致性检查，避免后续返工。检查清单可参考下表：
| 检查项 | 合格判据 | 常见问题 |
|---|---|---|
| 流体域封闭性 | 无自由边、无内部空腔、单一连通实体 | 布尔减后残留碎片实体 |
| 特征简化合理性 | 简化清单完整，关键流动特征保留 | 误删影响流阻的小孔或导流结构 |
| 内流延长段 | 入口 3～5D，出口 5～10D，强旋流 ≥10D | 出口距弯头过近导致回流 |
| 外流域尺寸 | 上游 3～5D，下游 10～15D，阻塞比 <5% | 侧向过窄，边界影响尾流 |
| 尺度与单位 | 统一为 mm 或 m，与边界条件一致 | 导入后单位错位，域尺寸差 1000 倍 |
几何清理与计算域构建是CFD建模中“磨刀不误砍柴工”的环节。把自由边、碎面、多余特征处理干净，把流体域抽取得封闭且连通，再按内流/外流原则确定合理的计算域范围，后续的网格划分与求解才能稳定、高效地推进。实际项目中，建议将本节操作固化为标准检查流程，并在每次模型变更后重新执行关键检查项，确保几何与计算域始终与物理问题保持一致。