3. 复杂网格生成策略
复杂几何的网格生成，本质上是在“几何贴合能力”与“数值精度/计算成本”之间做取舍。四面体网格几乎能填充任意复杂外形，但同样单元数下精度和收敛性通常不如六面体；六面体网格质量高、数值耗散低，却难以对复杂曲面自动生成；多面体网格单元面数多、邻居多，梯度重构更准、单元数更少，适合大涡模拟和复杂内流；Poly-Hexcore 则在核心区域铺六面体、在边界层与过渡区用多面体，兼顾精度与自动化程度。理解这四类网格的适用边界，是本节的核心。
四类网格的适用场景与取舍
四面体网格（Tetrahedral）由 Fluent Meshing 的 Auto Mesh 或 Poly-Hexcore 关闭后生成，适合外形极不规则、含大量小特征或需要快速迭代的模型。它的缺点是单元数量大、数值扩散强，边界层内若用棱柱层过渡，需保证棱柱层与四面体核心区平滑衔接。六面体网格（Hexahedral）通常通过 CutCell 或扫掠（Sweep）生成，适合管道、叶栅、换热器等可分解为规则拓扑的几何，单元数可比四面体少 3～5 倍，且离散误差更低。多面体网格（Polyhedral）由 Poly 方法生成，每个单元平均有 12～14 个面，邻居数约 6～8，梯度计算更稳定，对旋转机械、汽车外流场等复杂流动尤其有效。Poly-Hexcore 是 Fluent 近年主推的方案：在边界层生成棱柱层，过渡区用多面体，核心区用六面体，既保留六面体的低耗散，又具备多面体的几何适应性。
边界层网格：第一层高度与增长率
边界层网格决定壁面附近速度梯度的解析精度。若使用低雷诺数模型（如 SST k-ω），要求壁面第一层网格中心 y+ ≈ 1；若使用壁面函数，则 y+ 落在 30～300 之间。第一层高度 Δy 可由目标 y+ 反算：Δy = y+ · ν / uτ，其中 uτ = √(τw/ρ)。工程上常用平板湍流边界层估算式 uτ ≈ U∞ · 0.058 · Rex-0.2。例如来流 20 m/s、特征长度 1 m、空气 ν=1.5×10⁻⁵ m²/s，Re≈1.33×10⁶，则 uτ≈20×0.058×(1.33×10⁶)-0.2≈0.86 m/s，若目标 y+=1，Δy≈1×1.5×10⁻⁵/0.86≈1.74×10⁻⁵ m，即约 0.017 mm。棱柱层总厚度应覆盖边界层厚度 δ≈0.37x·Rex-0.2≈0.37×1×(1.33×10⁶)-0.2≈0.022 m，约 22 mm。层数 N 与增长率 r 满足 δ = Δy·(rN-1)/(r-1)，取 r=1.2、Δy=0.017 mm，可解出 N≈18 层。实际建模时，Fluent Meshing 的 Add Boundary Layers 中设置 First Height、Growth Rate、Number of Layers，并勾选 Transition 让棱柱层平滑过渡到核心区。
网格质量评价：正交性、长宽比与偏斜度
Fluent 中通过 Mesh → Check 或 Report → Mesh Quality 查看质量指标。关键指标包括：最小正交质量（Orthogonal Quality）应大于 0.1，最好大于 0.2；最大长宽比（Aspect Ratio）在边界层内可放宽到 100～1000，但核心区建议小于 20；最大偏斜度（Skewness）应小于 0.85，超过 0.95 会显著影响收敛。多面体网格通常正交质量更高、偏斜度更低，但需注意过渡区是否存在“悬挂面”或非共形连接。Poly-Hexcore 中六面体核心与多面体过渡之间通过 Poly-Hexcore 算法自动处理共形性，但仍需检查 Minimum Orthogonal Quality 是否低于 0.05。
Report → Mesh Quality，按 Orthogonal Quality 升序排列，定位最差单元所在区域；若最差单元集中在尖角或薄壁处，可局部加密或改用多面体过渡。复杂几何网格实战：以带导流片的弯管为例
几何为一段 90° 弯管，内径 80 mm，弯径比 1.5，管内布置 3 片导流片，片厚 2 mm。目标是获得壁面 y+≈1 的边界层并控制总网格量在 300 万以内。操作流程如下：
- 在 Fluent Meshing 中导入几何，使用
Surface Mesh生成面网格，全局尺寸 4 mm，导流片表面局部尺寸 1 mm，弯管壁面曲率处加密至 2 mm。 - 执行
Add Boundary Layers：选择所有壁面，第一层高度 0.015 mm，增长率 1.2，层数 15，总厚度约 0.015×(1.2¹⁵-1)/0.2≈1.2 mm，覆盖边界层。 - 体网格选择
Poly-Hexcore，核心六面体尺寸 6 mm，过渡区多面体自动生成。生成后检查网格量约 260 万，最小正交质量 0.18，最大偏斜度 0.78。 - 在 Fluent 中设置 SST k-ω 模型，入口速度 15 m/s，出口压力 0 Pa，壁面为无滑移。初始化后迭代 500 步，监测出口质量流量与壁面 y+。
- 结果判断：残差下降 3 个数量级，出口流量波动小于 0.5%，壁面 y+ 云图显示 90% 以上区域 y+<2，说明边界层解析充分。若 y+ 局部超过 5，可减小第一层高度或增加层数。
Diagnostics → Connectivity 与 Repair，确保几何水密后再生成体网格。网格类型选择决策表
| 几何特征 | 推荐网格 | 关键参数 | 预期质量 |
|---|---|---|---|
| 任意复杂外形、快速迭代 | 四面体 + 棱柱层 | 面网格 2～5 mm，边界层 10～15 层 | 正交质量 >0.15 |
| 规则管道、叶栅、换热器 | 六面体扫掠 | 轴向尺寸 3～8 mm，径向 1～2 mm | 正交质量 >0.3 |
| 旋转机械、汽车外流场 | 多面体 | 表面尺寸 5～10 mm，边界层 8～12 层 | 正交质量 >0.2 |
| 复杂内流、大分离、LES | Poly-Hexcore | 核心 4～8 mm，过渡自动 | 正交质量 >0.18 |
实际项目中，网格策略往往需要多次迭代：先以较粗网格验证流动拓扑与边界条件，再逐步加密边界层和关键区域。判断网格是否足够，可对比不同网格量下的压降、分离点位置或壁面热流，当这些量变化小于 2%～3% 时，可认为网格无关性基本满足。对于复杂几何，Poly-Hexcore 在自动化程度与计算精度之间提供了较好的平衡，是当前工程实践中值得优先尝试的方案。