3. 网格生成技术

在Fluent仿真中，网格是控制方程离散求解的物理载体。同一几何、同一求解设置，网格方案不同，收敛速度、计算量和最终结果都可能出现明显差异。ANSYS Meshing作为Workbench体系内的通用网格工具，提供了从全局尺寸到局部加密、从边界层到质量检查的完整控制链。本节围绕四个核心问题展开：选什么网格类型、如何设置全局与局部控制、边界层网格怎么生成、以及如何用质量指标判断网格是否可用。

一、网格类型：四面体、六面体与多面体

ANSYS Meshing中常用的体网格类型主要有四面体（Tetrahedral）、六面体（Hexahedral）和多面体（Polyhedral）。四面体对复杂几何适应性强，生成速度快，适合外形不规则、含大量倒角或曲面的模型；缺点是同等尺寸下单元数量多、数值耗散偏大，边界层内若用四面体，通常需要棱柱层配合。六面体网格在规则几何中单元数少、正交性好、计算精度高，但划分难度大，往往需要将几何切分为可扫掠的块体。多面体网格由多个面围成单元，相邻单元数多，梯度计算更平滑，在相同精度下单元数可比四面体减少约三分之一到一半，适合复杂外形且希望控制计算规模的场景。

选择时可按以下经验判断：几何规则、可切块，优先六面体；几何复杂、以对流为主，优先多面体或四面体加棱柱层；需要快速试算，先用四面体粗网格验证设置，再逐步替换为高质量网格。

二、全局控制与局部控制

全局控制决定整个计算域的网格基准尺寸，局部控制则针对特定面、边或体进行加密或粗化。二者配合使用，才能在关键区域获得足够分辨率，同时避免全域网格过密。

全局控制中，Relevance Center（相关性中心）设为Fine、Medium或Coarse，影响整体尺寸分布；Element Size直接指定全局最大单元尺寸；Smoothing控制节点位置调整，High平滑度更好但可能使单元变形；Transition控制尺寸过渡快慢，Slow过渡更平缓，适合梯度大的区域。局部控制中，Face Sizing用于指定某个面的单元尺寸，Edge Sizing控制边上的分段数或尺寸，Body Sizing控制整个体的尺寸，Inflation用于生成边界层，Sphere of Influence可在指定球形区域内加密。

实际操作中，建议先设全局尺寸为特征长度的1/10~1/20，再对壁面、尾流区、射流出口等关键位置施加局部尺寸。例如管道直径D=50 mm，全局尺寸可取3~5 mm，壁面附近用Face Sizing加密到1 mm，再叠加边界层。局部尺寸应小于全局尺寸，否则局部控制不会生效。

三、边界层网格

边界层是壁面附近速度梯度极大的薄层，若用均匀粗网格，壁面剪切应力和传热计算会严重失真。ANSYS Meshing通过Inflation功能生成棱柱层或六面体层，使壁面法向网格足够密。

关键参数包括：First Layer Height（首层高度）、Number of Layers（层数）、Growth Rate（增长率）。首层高度由目标y+决定。以空气外流为例，若希望y+≈1，需先估算壁面摩擦速度，再反算首层高度；工程上常先用经验公式估算，再通过Fluent求解后检查y+分布并调整。层数一般取5~15层，增长率取1.1~1.3，总厚度应覆盖边界层厚度的1.2倍以上，避免边界层被主流网格截断。

生成时需注意：Inflation只能作用于壁面，且要求壁面附近有足够空间；若几何间隙过小，层与层之间可能发生碰撞，此时应减小层数或增长率，或改用更小的首层高度配合更多层数。生成后应检查棱柱层是否连续、是否出现负体积或折叠。

四、网格质量评价指标

网格质量直接决定求解能否收敛以及结果是否可信。ANSYS Meshing提供多项指标，常用以下几项：

检查时，可在Meshing中打开Mesh Metrics，查看各项指标的分布直方图。若Orthogonal Quality低于0.1的单元数量较多，或出现负体积，说明网格不可用，必须回到几何或尺寸设置调整。对于Fluent求解，通常要求Orthogonal Quality最小值不低于0.1，Skewness最大值不超过0.95，否则残差可能震荡或发散。

综上，网格生成不是一次性操作，而是“类型选择—全局定尺—局部加密—边界层生成—质量检查—迭代调整”的闭环。掌握这四类控制手段和五项质量指标，就能在计算精度与计算成本之间找到合理平衡，为后续Fluent求解打下可靠基础。