3. 网格生成方法与质量评价

在 Ansys Fluent 的工业流体系统仿真中，网格是控制方程离散求解的物理载体。几何模型只描述“流体域长什么样”，而网格决定“方程在哪些位置被求解、以多高的分辨率被求解”。同一套几何、同一组边界条件，若网格策略不同，压降、流量分配、换热系数乃至是否收敛都可能出现明显差异。因此，网格生成不是建模的附属步骤，而是与物理模型、求解设置同等重要的独立环节。

一、网格类型选择：结构、非结构与多面体

工业流体系统常见的网格类型可分为结构化六面体网格、非结构化四面体/棱柱/六面体混合网格，以及近年广泛使用的多面体网格。结构化六面体网格在规则管道、直通道、矩形风道中质量高、数值扩散小，但对复杂几何的贴体能力弱；四面体网格适应任意复杂几何，生成快，但相同节点数下精度和收敛性通常不如六面体；多面体网格由多个面围成一个控制体，相邻单元数少，对对流项的数值扩散更低，在复杂工业件（阀体、泵壳、换热器封头）中往往能用更少单元获得更稳定的收敛。

选择时可参考以下经验：几何以拉伸、旋转、扫掠为主且拓扑规则，优先六面体；几何含大量曲面、倒角、小特征，优先多面体或六面体核心+边界层；若只做快速趋势评估，四面体也可接受，但应配合边界层棱柱。对于管道系统，直管段用扫掠六面体、弯头和阀门用多面体或四面体，是一种兼顾质量与工作量的混合策略。

二、边界层网格：把壁面梯度“算准”

湍流边界层内速度、温度梯度极大，若第一层网格落在对数律区之外，壁面剪切和换热都会被严重误算。边界层网格的核心参数是首层高度 Δy、增长比 r 和层数 N。工程上常用无量纲壁面距离 y⁺ 判断：壁面解析（低 y⁺）要求 y⁺≈1，壁面函数（高 y⁺）要求 30≤y⁺≤300，避免落在 5～30 的缓冲层。

首层高度可由目标 y⁺ 反推。以空气为例，密度 ρ≈1.225 kg/m³，动力黏度 μ≈1.79×10⁻⁵ Pa·s，若来流速度 U≈10 m/s、特征长度 L≈0.1 m，则 Re≈6.8×10⁴，壁面摩擦速度 u_τ≈U√(C_f/2)，取 C_f≈0.005，得 u_τ≈0.5 m/s。若目标 y⁺=1，则 Δy=y⁺μ/(ρu_τ)≈1×1.79×10⁻⁵/(1.225×0.5)≈2.9×10⁻⁵ m，即约 0.03 mm。增长比常取 1.1～1.2，层数 10～15 层，使边界层总厚度覆盖到主流区。若采用壁面函数，目标 y⁺=50，则首层约 1.5 mm，层数可减至 5～8 层。

三、局部加密：把网格用在“变化剧烈”的地方

工业流体系统的压力、速度、温度梯度往往集中在阀门缩口、弯头内侧、三通汇流、换热管入口、射流出口等位置。全局加密代价高，局部加密更经济。常用手段包括：在几何上切分并指定更小单元尺寸；使用 Body of Influence 或尺寸函数控制局部尺寸；在边、面、体上设置局部尺寸；对边界层、尾流区使用棱柱或各向异性单元。

局部加密应遵循“梯度导向”原则：先做一次粗网格试算，查看速度/压力云图和 y⁺ 分布，再在梯度大、y⁺ 超限的区域加密。加密后需检查相邻区域尺寸过渡比，一般控制在 1.2～1.5 以内，避免尺寸突变引起数值反射和收敛振荡。

四、网格质量指标：先看“坏单元”，再看“整体分布”

Fluent 中常用的质量指标包括：正交质量（Orthogonal Quality，0～1，越大越好，一般要求最小>0.1，工程推荐>0.2）、偏斜度（Skewness，0～1，越小越好，一般要求最大<0.85，推荐<0.8）、纵横比（Aspect Ratio，边界层内可较大，但核心区不宜过大）、单元体积变化率、面网格匹配率等。质量检查应同时关注最差值和分布：少量极差单元可能直接导致发散，而整体偏斜度偏高会降低精度。

若出现负体积或高度偏斜单元，优先回到几何清理：合并小面、去除微小倒角、修复缝隙、简化不影响流动的螺栓孔和装饰特征。几何干净往往比反复调网格参数更有效。

五、网格无关性检查：用证据确定“够用”的网格

网格无关性不是“越密越好”，而是找到结果对网格不再敏感的最小规模。做法是：保持几何、边界条件、求解设置和收敛标准一致，逐级加密网格（如 30 万、60 万、120 万、240 万），监测关键工程量，例如进出口压降、质量流量分配、最高温度、换热功率、阻力系数。当相邻两级网格的结果变化小于设定阈值（如压降变化<2%、温度变化<1%）时，可认为达到无关性。

需要强调的是，无关性应针对具体关注量，而不是所有量同时满足；同时应记录每级网格的单元数、最小正交质量、最大偏斜度和 y⁺ 范围，形成可追溯的网格报告。若加密后结果反而漂移，往往说明边界层首层高度或湍流模型与 y⁺ 不匹配，而不是网格不够密。

六、把网格策略落到工程操作上

以一段“直管—90°弯头—渐缩阀口—直管”的工业管路为例，可按下述顺序推进：先清理几何，去掉不影响流动的小倒角与螺栓孔；对直管段采用扫掠六面体，弯头和阀口采用多面体；在全部壁面插入边界层，首层按目标 y⁺ 计算，增长比 1.15，层数 12；在阀口缩颈和弯头内侧设置局部尺寸，单元尺寸约为全局的 0.4 倍；生成后检查最小正交质量、最大偏斜度和 y⁺ 分布；随后按 30 万、60 万、120 万三级加密，监测进出口压降与出口流量，若 60 万与 120 万之间压降变化小于 2%，即可将 60 万级网格作为后续工况的计算网格。

网格工作的最终判断标准不是“看起来漂亮”，而是“关键工程量是否稳定、y⁺ 是否落在模型适用区间、质量指标是否满足求解器要求”。把网格类型、边界层、局部加密、质量指标和无关性检查作为一个整体来设计，才能让后续的湍流模型、多相流模型和求解设置建立在可靠的基础上。