2. 几何建模与处理
在Fluent仿真流程中，几何是决定网格质量、计算收敛性和结果可信度的第一道关口。很多初学者把大量精力放在求解器设置上，却忽略了这样一个事实：几何阶段的缺陷几乎无法在后续环节被彻底弥补。一个存在微小缝隙、重叠面或尖锐夹角的几何，往往会导致网格生成失败、边界层无法附着，甚至让求解在迭代几百步后突然发散。本节围绕DesignModeler与SpaceClaim两条主流几何处理路径，讲清楚几何从哪里来、如何修复、流体域如何抽取，以及哪些细节可以简化、哪些绝对不能动。
两条几何处理路径的定位
ANSYS体系内同时提供DesignModeler和SpaceClaim，二者并非简单的新旧替代关系，而是面向不同工作习惯和几何来源的分工。DesignModeler采用特征树驱动的参数化建模方式，适合从草图开始构建规则几何，或对导入模型做参数化修改；它的强项在于尺寸驱动和参数关联，适合需要反复调整尺寸的优化类任务。SpaceClaim则以直接建模为核心，通过拉动、移动、填充、组合等操作直接编辑面与体，不依赖历史特征树，处理导入的“脏几何”时效率极高，尤其擅长修复来自SolidWorks、Creo、STEP、IGES等格式的破损模型。
实际工程中常见的做法是：外部CAD模型优先用SpaceClaim做修复与简化，规则化的流体域或需要参数扫描的模型用DesignModeler构建。两者之间可以通过ANSYS Workbench的数据链接互相传递，不必强行统一到某一个工具。
导入修复：先诊断，再动手
拿到一个STEP或IGES文件后，不要急着点“生成网格”。正确的顺序是先做几何诊断。SpaceClaim的“修复”选项卡提供“检查几何”功能，可以列出缝隙、重复面、自相交、短边、小面等问题的数量和位置。DesignModeler则在导入时通过“导入诊断”报告拓扑错误。诊断结果决定了修复策略：如果只是少量缝隙，用“填充”或“缝合”即可；如果存在大量重叠面，可能需要先删除问题面再重建。
一个典型的修复流程是：先合并重合的顶点和边，消除微小缝隙；再用“缺失面”工具自动识别并补全开口；接着清理长度小于网格最小尺寸的短边和面积过小的面，这些特征会强迫网格局部加密，显著增加网格量却对结果几乎没有贡献。修复完成后，务必检查几何是否为“水密”的封闭实体——对于内流场，一个未封闭的流体域在网格生成时会出现边界缺失，直接导致计算域不完整。
流体域抽取：内流与外流的分野
流体域抽取的本质是回答一个问题：流体实际占据的空间在哪里。对于管道、阀门、换热器这类内流问题，流体域是固体内部的空腔。如果CAD模型本身就是空腔实体，可以直接使用；如果模型是实心固体，则需要用SpaceClaim的“填充”功能或DesignModeler的“包围体+布尔减”来获得流体体积。对于汽车、建筑、翼型这类外流问题，流体域是固体外部的广阔空间，通常创建一个比固体大得多的包围体（如长方体或圆柱），再用布尔减运算挖去固体，剩下的就是流体域。
包围体的尺寸不是随意定的。以绕流圆柱为例，若圆柱直径为D，入口距圆柱中心建议取5D～10D，出口取15D～20D，上下边界各取10D。入口太近会强迫来流在尚未充分发展时就撞击物体，出口太近则尾流区无法充分发展，都会污染结果。这些距离需要根据雷诺数和尾流长度适当调整，高雷诺数下尾流更长，出口距离应相应加大。
简化策略：删什么、留什么
几何简化的核心判断标准是：该特征是否影响你关心的流动现象。如果研究的是管道整体压降，那么管道外壁上的安装凸台、螺栓孔、铭牌凹槽都可以删除；如果研究的是阀门内部的流动分离，那么阀芯上的微小倒角可能恰恰是分离点的控制因素，必须保留。一个实用的判断方法是问自己：这个特征的尺寸是否小于目标网格尺寸的1/3？如果是，且它不在关键流动路径上，通常可以简化。
常见的简化操作包括：删除直径小于最小网格尺寸的小孔；将小圆角替换为直角或更大的圆角；去除螺纹、花键等周期性细微结构；将非关键区域的复杂曲面简化为平面或规则曲面。需要特别注意的是，边界层附着区域的表面曲率不能随意改变，因为曲率直接影响边界层的分离位置。同样，任何涉及密封、节流、换热的面都应保持原样。
| 特征类型 | 典型尺寸 | 处理建议 | 判断依据 |
|---|---|---|---|
| 安装凸台/铭牌 | 5～20 mm | 删除 | 不在流动路径上，仅影响外壁面 |
| 小圆角 | R < 1 mm | 删除或放大 | 小于网格尺寸，强迫局部加密 |
| 节流孔 | 1～5 mm | 保留 | 直接控制流量和压降 |
| 螺纹 | 0.5～2 mm | 简化为光孔 | 对宏观流动影响可忽略 |
| 换热壁面翅片 | 0.5～3 mm | 保留或等效为多孔介质 | 影响换热和阻力，需评估 |
命名选择集：为边界条件铺路
几何处理的最后一步往往被忽视，却直接影响后续效率：在几何阶段就为关键面命名。入口、出口、壁面、对称面、交界面，这些在Fluent中需要指定边界条件的位置，如果在几何中已经用命名选择集（Named Selection）标记好，导入Fluent后可以直接调用，避免在复杂的面上反复点选。DesignModeler和SpaceClaim都支持创建命名选择集，建议命名规则统一，例如“inlet”“outlet”“wall_heated”“symmetry”，便于批量识别。
几何处理没有“一键完美”的方案，它依赖对流动问题的理解和对模型用途的判断。一个经过合理修复和简化的几何，应该满足三个条件：水密封闭、无微小特征强迫网格畸变、关键流动区域保持真实几何。做到这三点，后续的网格划分和求解就有了可靠的基础。