第一节 POINTWISE网格划分

1、模板介绍

已有的模板为原尺寸网格，由五部分组成，如下图所示。分别为

[A]结构化网格，进口区域
[B]结构化网格，与区域[C]合并成中间流域
[C]非结构化网格，圆形区域进行攻角转换
[D]非结构化网格为主，断面边界层网格所在区域
[E]结构化网格，出口区域

该区域总大小为：宽[-420m，600m]×高[-300m，300m]

中央矩形大小为：宽[-60m，180m]×高[-60m，60m]

2、SST k-ω湍流模型与第一层网格高度

1.SST k-ω湍流模型

简单来说，计算流体动力学理论主要分为两种：流体域的离散处理（在宏观模型指的是网格划分）以及湍流的数值模拟。两者联系紧密，选择不同的湍流数值模拟方法，会对流体域离散方法提出一些要求。

本文选用的是SST k-ω模型，适用低雷诺数流动。该模型优点如下：

对边界条件不敏感
满足真实化约束
趋向于更精确地求解近壁面区域
不使用壁面函数，计算表面压力更精确

缺点则是：

仔细选择初始条件
Re较高时，需要精细的边界层网格
内存需求较高

正是由于SST k-ω湍流模型对边界层网格提出了要求，因此在划分网格前需要对已有断面的边界层网格，特别是第一层网格高度进行估计。

2. $\ y_1^+$ 无量纲数

$\ y_1^+$ 是边界层内部结构的特征无量纲参数，常用在边界层理论中，在网格划分时需要重点关注。其定义式为：

$y_1^+\equiv \frac{u_*y}{\nu}$

上式中， $u_*$ 为壁面剪切速度(m/s)， $y$ 是距离壁面第一层网格高度(m)， $\nu$ 为流动的运动粘度(m^2/s)。

3.边界层流动

实验表明，边界层内根据流动状态的不同可以分为四层，自壁面向流动核心区分别为：粘性（线性）底层、缓冲区、对数律区，外层。如下图所示。

由上图可知，在对数坐标系下，两个区域具有解析的函数关系式。分别是：

粘性（线性）底层：惯性力相对粘性力较小，粘性力与速度梯度呈线性关系。

对数率层：无量纲速度 $\ U^{+}$ 与无量纲壁面距离呈 $\ y^+$ 对数关系，即卡门对数律。

对于低雷诺数流动，边界层较厚，主流和边界层的掺混，会使得对数律区的范围很小。此外，对于分离流动，也认为没有对数律区的存在。因此，必须将壁面第一层网格 $\ y^{wall}$ ，划分到粘性底层，对应的 $\ y_1^+<10$ ，并且能接近于1（这里的 $\ y_1^+$ 是壁面第一层网格的无量纲壁面距离）。此方案被称为低雷诺方案（Low-Re method)。即SST k-ω湍流模型的适用方案。

4.计算第一层网格高度

第一层网格高度需要在网格划分时充分考虑，可以通过在线工具，给定 $\ y_1^+$ 值计算得到。

在线计算工具如：

Compute Grid Spacing for a Given Y+ (pointwise.com)（推荐使用，空气密度与动力粘度值为常见值）

CFD Online - Y-Plus Wall Distance Estimation (cfd-online.com)（使用前应检查空气密度与动力粘度值）

以POINTWISE网站提供的 $\ y_1^+$ 计算工具为例，介绍操作方法;

该例子入口速度为3.5m/s，结构原特征尺寸为50m，几何缩尺比为1：60，故输入特征尺寸为0.8333m， $y_1^+$ 值取为1。由此确定案例的雷诺数为 $2\times10^5$ ，第一层网格高度不应大于 $8.8\times 10^{-5} \text{m}$ 。

注意，提供的模板为原尺寸划分网格 $\rightarrow$ FLUENT缩尺的步骤，因此在POINTWISE中划分网格时，第一层网格高度应考虑几何缩尺比，即 $\Delta s_\text{pointwise}=1/\lambda \Delta s=60\times 8.8\times 10^{-5}=5.28\times 10^{-3} \text{m}$ 操作技巧：将几何缩尺比输入入口速度中，将特征尺寸输为原尺寸，可得到正确的雷诺数和POINTWISE中要考虑的第一层网格高度值

3、断面文件准备

1.准备CAD图形

准备断面CAD文件，按原尺寸绘制，并将坐标轴放置于顶部中央（也可以放置于几何形心处）

操作：键盘输入UCS—回车—O（字母）—↵回车

2.文件另存为

操作：文件—输出—其他格式—igs—选择保存位置—全选断面—回车

CAD中的坐标系定义与之后POINTWISE，FLUENT中坐标系一致。

4、边界层网格的划分

1.igs文件的导入

将CAD导出的igs文件导入POINTWISE模板文件中。

打开MeshTemplate.pw文件，并导入CAD导出的igs文件。尺寸单位选为Millimeters。出现警示框时点击最左侧默认的选项直至导入成功。

尺寸选为毫米是因为igs文件与POINTWISE单位转换存在的问题。

2.生成断面连接点

POINTWISE通过生成线条上的连接点（Connectors）来自动生成网格。对于刚刚导入的断面文件需要先生成一定数量的连接点。

设置左侧Defaults中的Dimension—Average $\Delta s$ 值为10~20倍第一层网格高度值。

框选断面线条，点击上方Connectors on Database Entities来生成连接点。

点击上方Points on显示连接点。

3.生成边界层网格

POINTWISE的EXTRUDE拉伸功能可以生成较为良好的贴体边界层网格。

全选断面所有线条。菜单栏依次点击Create—Extrude—Normal。

左侧点击Done。完成后断面的线条上出现法线方向黄色箭头。

若黄色箭头指向朝内，需要调整方向。勾选左侧Attributes的Orientation选项，点击Flip按钮。

勾选左侧Attributes的Step Size选项，在Initial $\Delta s$ 选项栏中输入第一层网格高度。在Growth Rate选项栏中输入网格膨胀率，不要大于1.05。

进入Run选项卡，在Steps选项栏中输入网格层数，量级一般在 $10^1$ 左右。输入完成后，点击Run。

边界层网格达到要求后，点击左侧OK。

网格质量如下图所示。

5、非结构化网格的生成

POINTWISE的Assemble功能可以在指定区域内生成三角形非结构化网格。之后可再通过特有的T-Rex合并网格技术，将三角形网格合并成三角形四边形混合网格。

点击上方的Unstructured按钮，选择生成非结构化网格。

菜单栏点击Create—Assemble Special—Domain

按时钟顺序点击内部矩形线条，形成黄色箭头环流。点击左侧Save Edge。

点击边界层网格最外侧线条，形成黄色箭头环流。边界层网格外侧环流应与矩形环流相反方向。若一致，点击左侧Flip Edge Orientation。

点击左侧OK。等待非结构化网格的生成。

进一步地，可以通过POINTWISE的T-REX技术将三角形网格合并成三角形四边形混合网格。

点击选择三角形网格。菜单栏点击Grid—T-Rex。

左侧T-Rex选项卡内设置Max Layers，Full Layers（控制转角处网格层数），Growth Rate，Cell Types。

左侧Attributes选项卡内设置Algorithm，Cell Types，Boundary Decay。

左侧Solve选项卡点击Initialize。

非结构化网格达到要求后，点击OK。