2. 几何建模与清理
在 Ansys Fluent 的工业流体仿真中，几何是决定网格质量、计算收敛性与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“流体域几何”本身是否干净、是否封闭、是否与物理问题一致。本节围绕工业流体域的特点，讲清楚几何创建、抽取、修复与简化的完整策略，并给出 SpaceClaim 与 DesignModeler 中的实战操作要点。
一、先明确：流体域几何与固体几何的本质区别
工业仿真中拿到的原始几何通常来自 CAD 设计部门，是“实体零件”或“装配体”，包含螺栓、倒角、圆角、铭牌、工艺孔等大量对流动影响极小的细节。而 Fluent 真正需要的是流体能够流经或占据的空间，即流体域（Fluid Domain）。因此几何处理的核心任务不是“把模型画出来”，而是从固体几何中提取出流体空间，并把它整理成适合网格划分的封闭体。
典型工业对象包括：管道、阀门、泵壳、换热器、风机蜗壳、汽车进气歧管、电池包冷却流道等。它们的共同特点是：内部流道复杂、存在大量细小特征、常由多个零件装配而成。若直接把装配体导入 Fluent，往往会出现干涉、缝隙、重复面、非流形边等问题，导致网格划分失败或出现负体积。
二、几何创建与抽取的三种典型路径
根据原始数据的不同，流体域获取方式可分为三类：
- 直接建模：当流道本身已有明确实体（如 CAD 中已建好的内流道实体），可直接使用，但需检查其封闭性。
- 布尔抽取：用外部包络体减去固体零件，得到流体域。这是最常用的方法，适用于泵、阀、换热器等。
- 表面封闭法：当只有壳体或曲面时，通过封闭进出口、补面、缝合，构造出封闭流体体积。
在 SpaceClaim 中，布尔抽取可通过“组合”工具完成：先创建一个比固体略大的包络体，再用“减去”命令扣除固体。操作时注意保留“保留工具”选项，以便后续修改。在 DesignModeler 中，则使用“Boolean”操作，注意将固体设为“Cut Material”，包络体设为“Target”。
三、几何修复：工业模型最常见的五类问题
工业 CAD 模型在转换为中性格式（如 STEP、Parasolid、IGES）后，常出现以下问题，需要在 SpaceClaim 或 DesignModeler 中逐一处理：
| 问题类型 | 典型表现 | 处理手段 |
|---|---|---|
| 自由边 / 缝隙 | 面与面之间未缝合，存在开放边界 | 缝合（Sew）、补面（Patch） |
| 重复面 | 同一位置存在两个重合面 | 删除重复面、合并 |
| 非流形边 | 一条边被三个以上面共享 | 拆分面、重建拓扑 |
| 干涉 | 零件之间相互穿透 | 布尔运算消除干涉 |
| 细小特征 | 小孔、小圆角、窄缝 | 简化、填充、理想化 |
在 SpaceClaim 中，可使用“修复”选项卡下的“缝合”“缺失面”“重复面”等工具。建议先执行“检查几何”，软件会以不同颜色高亮问题区域。在 DesignModeler 中，则通过“Tools → Merge”“Tools → Sew”以及“Repair”功能处理。修复完成后，务必再次检查几何是否为单一封闭实体。
四、几何简化：保留什么、去掉什么
简化不是“越简单越好”，而是在保证关键流动特征的前提下，降低网格划分难度和计算量。判断依据是：该特征是否显著影响流动分离、压降、流量分配或换热。
- 应保留：主流道、进出口、关键转弯、突扩突缩、阀门开度、叶轮通道、换热管束等。
- 可简化：小圆角（R < 1 mm）、工艺孔、铭牌、螺栓孔、外部倒角、不影响流动的凸台。
- 可理想化：薄壁可转为无厚度壁面；对称结构可取半模型或周期模型；长直管道可截取代表性段。
例如，某汽车进气歧管模型包含 12 个螺栓孔和大量外部加强筋。若直接划分网格，螺栓孔附近需要极细网格，计算量剧增。实际处理时，可先删除螺栓孔和外部加强筋，仅保留内部流道和稳压腔，网格量可降低约 40%，而进气均匀性结果变化小于 2%。
五、实战操作要点与参数示例
以 SpaceClaim 抽取某水泵蜗壳流体域为例，操作流程如下：
- 导入泵壳装配体，使用“检查干涉”确认叶轮与泵壳无穿透。
- 创建包络体：以泵壳最大外形为参考，向外偏移 5 mm 生成封闭实体。
- 使用“组合 → 减去”，目标为包络体，工具为泵壳和叶轮，得到流体域。
- 检查流体域：若存在自由边，使用“缝合”工具，容差设为 0.01 mm。
- 简化：删除直径小于 2 mm 的工艺孔，去除外部圆角。
- 导出为 STEP 或直接推送至 Fluent Meshing。
在 DesignModeler 中，对应操作可使用“Enclosure”创建包络体，“Boolean”执行减运算，“Fill”或“Idealization”完成简化。注意：布尔运算前应确保所有零件已正确合并为一个多体部件，否则减运算可能失败。
六、结果判断：几何是否可用于网格划分
完成修复与简化后，可通过以下指标判断几何是否合格：
- 几何为单一封闭实体，无自由边、无重复面。
- 最小间隙大于预期网格尺寸的 1/3，避免网格畸变。
- 进出口面完整，且法向一致。
- 关键流动区域无缺失面或错误缝合。
- 在 Fluent Meshing 中可成功生成表面网格，无负体积或高偏斜度单元。
若上述条件满足，即可进入网格划分阶段。几何处理通常占整个仿真周期的 40%～60%，前期多花时间清理，后期收敛性和结果可信度会显著提升。