4. 网格类型与生成策略

在工业流场CFD建模中，网格是求解器离散控制方程的空间载体。网格类型的选择直接决定数值耗散水平、计算内存占用、收敛稳定性以及最终工程结论的可信度。本节围绕四类主流网格——结构化网格、非结构化网格、多面体网格与边界层网格——说明其几何特征、适用场景与生成策略，并结合典型工业部件给出可操作的划分要点。

一、四类网格的几何本质与适用边界

结构化网格的节点在逻辑上可用(i, j, k)索引唯一确定，每个内部节点拥有固定数量的邻居。其优势在于网格线沿流动方向对齐时数值耗散低、离散精度高、内存占用小，适合外形规则或可通过块拓扑分解的部件，如直管、叶栅通道、轴对称喷管。缺点是复杂外形需要大量手工块分解，几何变更后拓扑维护成本高。

非结构化网格以四面体、棱柱、六面体混合单元填充任意几何，节点连接关系由单元表描述。它几乎可以自动适应任何CAD外形，是复杂工业件的主力网格。代价是同等节点数下单元数量更多、内存与计算量偏大，且四面体单元在边界层内若被拉长，会出现严重的数值扩散。

多面体网格由任意多边形面围成单元，典型为十二面体或十四面体。相比四面体，其单元面数更少、邻居更多，梯度重构可利用更多面信息，因此在相同精度下单元数可减少约2～4倍，收敛速度与并行效率通常更优。多面体网格特别适合大尺寸工业件的外流场、换热器壳程、复杂管路系统。

边界层网格不是独立网格类型，而是沿壁面法向按几何增长率堆叠的棱柱层或六面体层，用于解析黏性底层与对数律层。其核心参数是首层高度Δy、增长率r和层数N，三者共同决定壁面y+是否落在目标区间。

二、边界层网格的参数化生成

边界层网格的质量由三个参数锁定：首层高度Δy、增长率r和层数N。首层高度由目标y+反推。以空气为例，ρ=1.225 kg/m³，μ=1.79×10⁻⁵ Pa·s，来流U∞=20 m/s，若壁面摩擦系数Cf≈0.004，则摩擦速度u_τ=U∞·√(Cf/2)≈0.89 m/s。取y+=1时，Δy=y+·μ/(ρ·u_τ)≈1.6×10⁻⁵ m。若采用壁面函数法要求30≤y+≤300，则Δy可放宽至约5×10⁻⁴ m量级。

总厚度δ由等比数列求和给出：δ=Δy·(r^N−1)/(r−1)。当r=1.2、N=15时，δ≈1.2 mm，通常足以覆盖平板湍流边界层厚度。增长率r建议控制在1.15～1.25，过大会导致相邻层尺寸跳变，引起截断误差；层数N一般取10～20，需保证边界层外缘与体网格尺寸平滑过渡，避免出现尺寸突变面。

三、工业部件网格划分要点

工业部件外形复杂、特征尺度跨度大，网格策略应遵循“分区域、分尺度、分类型”的原则。以下以典型部件为例说明。

• 弯管与三通：管壁附近用边界层棱柱层，弯头内侧曲率大，需加密周向节点；管芯区域可用六面体扫掠或六面体核心，避免四面体在二次流区域产生过度扩散。
• 叶轮机械：叶片通道优先采用结构化或块结构化网格，保证网格线与流线对齐；叶顶间隙需单独设置至少8～12层径向网格，以捕捉泄漏涡。
• 换热器壳程：折流板与管束之间几何干涉多，适合多面体网格，可在管壁附近叠加棱柱层，兼顾边界层解析与整体单元数控制。
• 汽车外流场：车身表面用三角形面网格，边界层用棱柱层，远场用多面体或六面体核心；尾流区需设置局部加密盒，尺寸约为车宽的1.5倍。

四、网格质量检查与无关性验证

网格生成后必须检查以下指标：最小正交质量（建议大于0.1）、最大长宽比（边界层内可放宽至100～200，体网格建议小于20）、最大偏斜度（小于0.85）、负体积单元数（必须为0）。对于边界层，还需检查棱柱层是否出现自相交或塌陷。

网格无关性验证采用至少三套网格，单元数按约1.5倍递增。以某弯管压降Δp为例，粗网格（80万）得到Δp=1250 Pa，中网格（180万）得到Δp=1180 Pa，细网格（400万）得到Δp=1165 Pa。中网格与细网格偏差约1.3%，可认为中网格已进入无关性区间。若继续加密后Δp变化小于2%，即可锁定该网格用于后续工况计算。

五、网格策略选择速查

综上，网格类型没有绝对优劣，只有与几何、流动特征和计算资源是否匹配。结构化网格追求精度与效率，非结构化网格追求几何适应性，多面体网格在复杂工业件中兼顾两者，边界层网格则是壁面解析不可替代的基础。实际项目中，通常采用混合策略：壁面用棱柱层，核心区用多面体或六面体，过渡区用四面体，并通过质量检查与无关性验证锁定最终网格。