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面向工程应用的网格生成

网格生成是工程上保证 CFD 计算可实施的关键技术。随着数值计算应用越来越广泛,需要高鲁棒性的算 法体系,支撑工程上针对复杂几何外形生成高质量、规模可控的网格,这对网格算法提出了严峻的挑战。近年 来,数字化设计等新兴技术趋势,进一步对网格算法提出了全自动化、智能化和隐形化的更高要求,这些技术挑 战已成为当下网格技术研究的核心问题,也是工业设计数字化必需突破的关键技术之一。 

从 21 世纪初开始,国际上逐渐形成了网格软件产品化和算法技术研究相辅相成的发展格局,涌现出了几 款主流商业软件和众多有特色的开源软件,研究方面网格技术的国际学术会议 IMR(International Meshing Roundtable)则吸引了大量学者发表众多学术成果。同时期,国内却由于软件商业化氛围不足,在这一技术变革 浪潮中有所落后。近年来得益于国家数值风洞工程等一系列重大软件工程项目建设的大力扶持,以及研究者 们的不懈努力,国内网格技术发展令人瞩目,不但推出了有影响力的自主知识产权网格产品、发起了网格专项 学术会议,而且在网格自动生成、网格智能化等领域部分成果达到了国际主流技术水准。 

为了展现该领域的最新前沿进展,《空气动力学学报》组织了“面向工程应用的网格生成”专栏。在征稿过 程中,得到了该领域专家学者的热烈响应和大力支持。本期精心遴选了 6 篇学术论文,介绍了我国在网格生成 技术领域的一些最新研究成果,主要内容包括脏几何的网格处理、动网格技术、块结构化网格自适应方法、并行 网格生成软件研制、网格装配的自动曲面嵌入算法,以及对传统非结构网格生成方法的改进探索等。 

编辑部谨向各位作者、审稿人、组稿专家付出的心血和劳动表示衷心的感谢! 

《空气动力学学报》编辑部 

2022 年 10 月

组稿专家 文章列表

庞宇飞(1970-),中国空气动力研究与发展中心高级工程师,网格技术研究学术带头人。长期从事计算流体力学相关软件工程化开发和工程应用技术研究,在网格技术、CFD 框架及并行计算技术、优化计算控制技术、多学科耦合计算技术等研究领域有独到见解,先后在气动预研、863、973 等项目支持下,主持开发了“亚跨超声速 CFD 软件平台”、“图形界面网格生成平台”、“多目标多学科优化设计平台”、“NNW-GridStar 通用网格生成软件”等计算流体力学相关的软件产品,并在工业工程中广泛应用,为工业制造提供了有力的工具支撑。主持编写了国防教育丛书中《计算流体力学》的网格部分,先后在 AIAA Journal、《空气动力学学报》等刊物上发表论文 20 余篇。研究成果获省部级科技进步二等奖 2 次。现主要从事计算流 体力学软件的产品化工作,打造了一支网格软件工程化研发的专业团队,实现了网格技术到产品的转化,面向国内发布的网格软件“NNW-GridStar”在性能上已达到国际主流软件水准。

“面向工程应用的网格生成”专栏简介
专栏组稿专家
2022, 40(5): 133-133.
[摘要](25) HTML(17) PDF(9)
摘要:
面向高性能数值模拟的并行网格生成软件研制
郑澎, 冷珏琳, 徐权, 刘田田, 杨洋, 高俊琪, 董庆利
2022, 40(5): 134-145. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0332
[摘要](252) HTML(71) PDF(44)
摘要:
网格是开展大多数数值模拟计算的必要条件。面向高性能数值模拟应用,几何结构日趋复杂,局部特征日趋精细,网格规模将达到十亿规模以上,这就要求网格生成既要高效处理复杂模型,又要自适应刻画局部特征,更要考虑大规模网格向解算器的低开销传输,因此研制并行网格生成软件对推动高性能数值模拟应用具有重要价值。首先从算法研究、软件产品化两个层次论述相关领域的国内外情况,接着介绍了自主可控软件SuperMesh的架构设计和关键技术进展,最后探讨了并行网格生成技术的未来发展方向。
基于支持向量回归的动网格技术研究
高翔, 廖海翔, 徐传福
2022, 40(5): 146-157. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0317
[摘要](136) HTML(38) PDF(24)
摘要:
为了提高动网格生成的计算效率,深入分析了广泛使用的径向基函数插值动网格方法,进一步放宽其贪心选点的约束条件,提出并完善了一种基于支持向量回归的高效动网格技术,并给出了该机器学习算法针对网格运动的适配方案。基于基准案例的三套疏密网格和四类运动形式,对不同径向基核函数的拟合性能进行了全面测试分析。以前期采用的高斯核函数方法为基准,进一步通过典型动网格案例,量化对比了筛选出的核函数在网格变形质量、计算效率和参数设置等方面的能力。结果表明基于CP C2和IMQB核函数支持向量回归的动网格方法具有良好的变形能力和计算效率。
旋翼流动的块结构化网格自适应方法
肖中云, 郭永恒, 张露, 崔兴达
2022, 40(5): 158-165. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0255
[摘要](110) HTML(69) PDF(35)
摘要:
从旋翼的旋转运动和旋涡环绕流场特点出发,探讨了流场计算中的双网格建模方法,即采用结构化贴体网格随桨叶一起运动,采用背景网格的自适应加密模拟旋涡的空间演化。发展了块结构化的背景笛卡尔网格生成方法,网格以块为单位进行加密或稀疏变化,所有网格块的网格维数相同,采用八叉树数据结构和空间填充Z曲线进行管理,满足自适应加密和并行分区的需求。采用该方法对UH-60A旋翼进行了网格建模,在以桨叶贴体网格为输入的前提下自动生成了初始笛卡尔背景网格,同时针对旋翼的悬停和前飞状态流场,分别采用Landgrebe和Beddoes尾迹模型为网格加密提供线索。在此基础上对空间背景网格进行了自适应加密,最大允许网格加密层次为9层,桨尖涡目标区域的网格尺度为0.01倍弦长。结果表明,当前笛卡尔自适应网格方法足够灵活,能够根据桨尖涡位置变化进行网格加密或稀疏操作, 自适应网格加密受最大加密层次、目标加密区域的大小和目标区域的网格间距等因素决定。本文的自适应方法具有网格调整效率高的特点,在提高非定常桨尖涡模拟精度方面有一定的应用前景。
面向错位装配体的自动曲面嵌入算法
刘智伟, 杨洋, 陈建军, 郑澎, 夏一帆
2022, 40(5): 166-174. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0005
[摘要](115) HTML(56) PDF(21)
摘要:
分部件建模获得的装配体其部件和部件之间的共享区域在不同部件中存在多份表征,直接在该模型的原始边界表征上生成网格,重叠区域的网格在几何和拓扑上都不兼容,不能用作数值模拟分析。针对错位装配体中的重复表征问题,应用连续-离散混合曲面造型方法,提出了适用于装配体模型的自动曲面嵌入算法,该算法在离散层面上通过线段-三角形相交计算边界相交图,并通过拓扑操作移除三角形相交问题,完成离散曲面的嵌入;而后根据边界相交图及离散嵌入结果,设计相应的曲线曲面分裂合并等操作,完成连续曲面B-rep上的自动曲面嵌入。并在典型算例下用嵌入后的B-rep为输入,以其网格生成结果来验证了该自动曲面嵌入算法的有效性。
三维复杂外形的双曲型非结构网格生成方法
张启明, 叶友达, 蒋勤学, 田浩
2022, 40(5): 175-185. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0186
[摘要](173) HTML(47) PDF(33)
摘要:
为了实现棱柱网格的自动化生成,发展了使用双曲型偏微分方程生成棱柱网格的方法。利用网格正交性条件和单元体积约束相结合的双曲偏微分方程,从物面网格向外逐步推进生成棱柱形网格。通过类比结构网格双曲型网格生成方法,在非结构网格局部格点坐标系上建立了双曲型网格生成方程,通过格点有限体积法、迎风格式和隐式的方法离散控制方程,使用GMRES求解器求解线性方程组,进而自动生成棱柱网格。该方法应用于球外形、具有尖锐边缘、深凹高凸的旋成体外形、双椭球外形以及X38复杂飞行器,生成的网格表现出良好的正交性和光滑性,表明本文的方法是成功的。数值仿真结果表明本文的网格适用于气动力热的数值模拟。
面向脏几何的曲面网格自动生成算法
孟祥桥, 刘智伟, 刘陶然, 陈建军
2022, 40(5): 186-194. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0400
[摘要](172) HTML(38) PDF(19)
摘要:
脏几何是存在法向错误、穿插、狭缝、贴合等问题的几何模型,在此类模型的原始边界上直接生成网格无法避免上述问题。因此,在脏几何上无法直接生成拓扑相容的表面网格,这也将影响后续数值分析研究的开展。本文实现了一种基于四面体化方法的脏几何网格生成算法,其核心思想在于一个有效的四面体网格的表面一定是一个有效的曲面网格。本文对几何的离散表征进行法向修复,并在此基础上生成四面体网格,通过离散边界切割四面体解决了模型中存在的穿插问题,基于四面体质量提升解决狭缝问题,并应用曲面网格重构以提升表面网格质量。本文采用视图采样的方法实现法向修复,从多个方向观察该模型,使其在各个方向上的视图均满足质量要求;使用多级的能量阈值提升四面体优化效率;采用多级误差估计来避免曲面网格重构中可能出现自相交的问题。数值验证结果表明本文的脏几何曲面网格自动生成算法鲁棒、高效。