李昂 沈伟 张宇坤

摘 要：针对各类网格划分软件生成的网格特征差异明显、格式不一、无法直接进行拼接处理的问题，本文以CFX-Pre提供的非相容计算域交界面网格处理技术为基础，通过对网格进行物理变换及相关技术处理，在保证计算精度并精简计算量的前提下生成格式统一的一体化整机流场计算网格。结果表明通过合理运用CFX-Pre网格拼接技术，可以实现不同格式异构网格的拼接处理，极大地简化了复杂物理模型的网格建立过程，对流场仿真具有重要意义。

关键词：CFD 异构流场网格 网格拼接

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）08（a）-0082-05

网格划分是CFD数值计算的一项重要环节。进行全流场网格划分，首先多基于流场物理结构特点，将目标流场划分为若干计算区域。利用不同格式网格结构特点，通过相应软件分别进行各计算域网格划分，并通过技术手段进行非一致或异构网格拼接。高效的拼接方法能够进一步提高CFD在工程领域的应用效率。

国外建立了多种针对CFD应用的网格划分软件，如Gridgen、ICEM CFD、Gambit、CFD-Geom等，基本解决了CFD应用中的流场网格划分问题。但各类网格划分软件生成的网格格式不同，存储形式不一致，且各软件默认基础坐标系及尺寸单位等均有不同，必须通过适当的网格拼接技术进行统一处理。目前关于不同格式或异构网格拼接方法的研究依然有限，如何通过技术处理实现不同格式网格拼接，是CFD数值计算亟需解决的问题。

CFX-Pre支持输入各种类型、各种来源的网格，具有良好的网格兼容性。在此种背景下，利用CFX-Pre前处理功能实现网格拼接是一种可行手段。

本文拟针对某型发动机流场计算各类网格格式及结构特征不一致的问题，运用CFX-Pre进行技术处理，生成高质量一体化全流场网格，为前处理软件流场网格拼接提供借鉴。

1 导入网格

发动机各核心气路部件特征结构存在较大差异，通常运用不同网格划分软件对相关部件进行网格划分，进而生成不同格式、不同类别的各气路部件网格。这种划分方法往往导致各部件网格类别差异较大，无法直接进行统一操作。在这种情况下，需通过技术手段将各个网格文件导入至同一前处理软件并进行相应技术处理，以满足后续计算需要。

运用各类网格划分软件创建的三角形/四面体网格（非结构化网格）或四边形/六面体网格（结构化网格），均可通过网格输入向导导入至CFX-Pre前处理软件中，并进行相应技术处理。

CFX-Pre支持以下格式网格文件：

Anysis Meshing（*.cmdb/*.dsdb）；CFX Mesh（*.gtm/*.cfx）；CFX-Solver Input（*.def/*.res/*.cfg

/*.trn/*.bak）；ICEM CFD（*.cfx/*.cfx5/*.msh）；Anysis（*.cdb/*.inp）；Fluent（*.cas/*.msh）；OGNS（*.cgns/*.cgn）；CFX-TASCflow（*.grd）；CFX-4（*.geo）；CFX-BladeGenPlus（*.bgd）等。

针对不同格式网格，CFX-Pre共提供以下两种输入向导。

（1）对于常规叶轮机械网格，CFX-Pre在导入过程中可以自动识别，进而自动生成网格边界条件，如图1所示。

（2）对于Gambit及ICEM等软件生成的各类异构网格，CFX-Pre可以实现直接读取，便于后续网格处理，如图2所示。

通过以上两种网格输入向导，将通过各类网格划分软件得到的网格文件导入至CFX-Pre前处理软件，以便进行后续技术处理，最终生成高质量一体化网格。

2 网格变换

由于各软件在网格划分过程中默认的基础坐标系及尺寸单位、划分方法等均有不同，统一导入的各部件网格往往具有错误的物理关系，需对网格进行相应变换处理，使坐标系及尺寸链保持一致。

CFX-Pre允许用户通过不同手段修改导入的网格文件，包括网格平移变换、旋转变换、映射变换及放缩变换等。

2.1 平移变换

通过指定节点的笛卡尔坐标偏移量，或定义平移前后三维坐标，均可以进行网格平移操作。同时，CFX-Pre允许用户进行多倍复制，并保留原始网格模型，如图3所示。

运用网格平移功能，并定義计算域交界面相应计算方法，可以将不同计算域进行拼接，进而生成完整计算区域，同时需要注意的是，坐标偏移量可以为负值，如图4所示。

为缩减计算量，进而达到简化求解过程的目的，在CFX-Pre中可以将多重计算域合并为单一计算域，便于后续边界条件的设定。在边界条件设定过程中，针对每个计算域所包含的表面，必须进行相关定义。当计算域特征相似或相同时，计算域表面（如壁面、压力入口、压力出口等）的设定将花费较多时间及精力。这种情况下，进行计算域合并便可体现其优越性。

2.2 旋转变换

由图5可知，通过定义旋转主轴、旋转方向及相应旋转角度可以对目标网格进行旋转变换。对于旋转主轴，CFX-Pre提供直观定义及矢量定义两种方法。

图6为对某型涡桨发动机进气道网格进行旋转变换，实现与进口导流叶片的网格拼接，生成一体化计算区域。

2.3 映射变换

CFX-Pre同样提供针对目标网格的映射变换。这里提供多种映射平面定义方法：可以直接选定坐标平面也可定义3个坐标点确定映射平面，进而依据需求对目标网格进行映射，如图7所示。

需注意的是，映射变换通常以坐标平面为映射平面，故对目标进行映射变换后，往往还需对目标进行平移变换等技术处理，同时针对计算域网格交界面进行合理拼接，从而生成流场计算所需的一体化网格。

2.4 放缩变换

定义放缩因子，及放缩变换参考坐标，可对网格进行放缩变换，进而修正不同软件所划分网格存在的尺寸差异。需注意的是，对网格进行放缩后，所划分的网格单元会进行同样的放缩变换，如图9、图10所示。

某型涡桨发动机各气路部件网格划分过程中，为满足计算精度需要，划分高质量计算域网格，针对燃烧室、螺旋桨计算域及柱体包裹区域均采用非结构化网格划分，非结构化网格由于不具备规则拓扑结构、网格节点分布随意等特点，可以较好地适应具有复杂结构外形的计算区域。

进气道、压气机及涡轮等典型叶轮式部件采用结构化网格划分。结构化网格往往具有更好的网格质量，具备网格生成速度快、数据结构简单等特点，可以在保证计算精度的前提下缩减计算量，进而提高计算效率，如图11所示。

各气路部件结构化及非结构化网格统一导入至CFX-Pre中，并依据制定的整机尺寸链对各部件网格进行相应旋转、平移、映射及放缩变换，通过网格拼接生成发动机整机计算域一体化网格，满足后续整机流场数值计算分析需要，如图12所示。

3 网格拼接原理

仅对网格进行物理变换无法实现交界面数据传递，还需进一步对各计算域网格交界面进行技术处理。

当拼接计算域具有非一致网格边界，即两个相邻计算区域网格节点位置并不相同时，CFX-Pre首先计算组成边界的界面区域交叉点，并依据交叉情况完成流过网格交界面的数值计算。由图13可知，界面区域由A-B、B-C、D-E、E-F组成，并在交界面处产生面a-d、d-b、b-e、e-c。当计算由交界面流入单元Ⅳ时，面D-E即被忽略，而面d-b和b-e被使用，并分别将信息由单元Ⅰ和单元Ⅲ带入至单元Ⅳ中。

当计算域交界面相容性较差，且计算域具有周向运动特性时，CFX-Pre提供另一种拼接方法Mixing-Plane，依据流场流动方向定义上游交界面及下游交界面，进而实现计算域交界面网格拼接，如图14所示。

在Mixing-Plane拼接方法中，将流体区域近似为稳态问题进行求解，将相邻区域流场数据在动、静区域交界面沿周向进行加权平均，并作为边界条件进行传递。同时Mixing-Plane允许设置周期性边界条件，可以极大地简化旋转机械流场数值模拟的计算量。

通过上述技术处理，对发动机各气路部件网格文件进行相应处理，进而生成可以用于流场计算的高质量统一前处理网格文件为后续流场仿真分析做出铺垫。

4 结语

网格划分是航空发动机流场计算前处理的重要一环。发动机各核心气路部件结构特征区别较大，通过相应网格划分软件生成的网格往往存在明显差异。本文通过运用CFX-Pre提供的不相容计算區域网格交界面处理技术，针对不同格式及不同类型网格不易进行拼接计算的问题提供了一种可行的通用处理方法，通过对网格文件进行物理变换，并对计算域交界面进行技术处理，生成数值计算所需的高质量一体化网格文件，进而满足后续计算需求，同时为Fluent、Anysis等商用软件网格拼接提供一种可借鉴的技术手段。

参考文献

[1] 洪俊武，梁孝平，王光学，等.多重拼接网格技术应用研究[J].空气动力学报，2007，25（1）：45-49.

[2] 侯树强，王灿星，林建忠.叶轮机械内部流场数值模拟研究综述[J].流体机械，2005，33（5）：30-34.

[3] 詹鸿飞，黄帅，杨欣毅.多级涡轮工作流场的数值仿真研究[J].系统仿真技术，2016，12（2）：118-122.