小白：计算未动，几何先行！

自从上次在食堂听了小牛师兄关于计算网格的一些问题后，小白决定在寒假期间好好的补习一下关于计算网格的划分内容。在之前小白也接触了一些CFD软件，像Fluent，CFX等，在做案例的过程中同城使用的是别人已经提供好的计算网格，严格说起来小白还没有自己动手生成过计算网格。这下真正说起要动手创建网格，小白还真的是懵了，不知道从哪儿下手。小白找到了江师姐。

“师姐，我们考完试了，有什么任务分配需要我做的么？”小白在QQ上问。

“考完试了呀，那就可以认真的学习一下流体仿真的内容了，现在项目上很缺人手。”江师姐回复。

“恩，就是有一些关于这方面的问题要请假一下。这半年我练习了很多流体计算案例，但是对于真正的工程问题，还是存在很多的问题。最基本的问题，比如流体计算区域的创建，到底该怎么弄呢？”小白问。

“你说的是计算域的构建问题，噢，对于新手来说还真有一些问题需要注意。”

1 计算域是什么

“首先你要清楚，计算域是流体计算所要考虑的区域，其包含了时间域和空间域。空间域好说，就是我们告诉计算机所要求解计算的区域的长宽高等几何尺寸，而时间域则指的是我们告诉求解器需要考虑的时间范围。比如说要考虑管道内部流体流动特征，那么空间域则指的是管道内部流体所能够到达的空间范围，而时间域则取决于我们所要考虑的时间段，是1秒钟还是1小时，取决于我们自己。”

"流体计算域，指的是流体能够达到的区域，但是我们知道，我们目前所用的CFD求解器除了能够解决流动问题之外，还能解决热问题。因此虽然流体无法在固体中流动，但是热量可以，温度可以在固体中分布。所以流体计算域中除了流体域之外，还可能包含有固体区域。”

“除了流体域和固体域，在流体计算过程中，一些特殊的模型还可能包含一些特殊的区域，他们都是流体域的一些简化形式。比如说模拟多孔隙结构的多孔区域，模拟发热的源区域等，这些其实也都是流体域，只不过简化了几何模型而已。”

“总而言之，计算域就是我们要告诉计算机的计算区域”。

2 计算域如何创建

“明白了，计算域就是要提交给求解器的几何模型，可以这么理解么？”小白问。

“可以这么说。”江师姐答。

“那这些几何该如何得到呢？”小白继续问。

“几何模型的创建有很多方法，大多数情况下我们利用专业的CAD软件来生成计算模型，对于复杂的几何模型尤其是这样。当然一些简单的几何模型，也可以利用CAE前处理软件来创建。”江师姐这样说。

“比较常用的有哪些软件呢？”小白继续问。

“常用的软件如机械的CAD软件，像UG NX， Pro/E, Catia, Solidworks等，医学领域也有用CT成像来生成几何的，甚至可以采用一些激光扫描手段来生成几何。总而言之，不管采用何种方法，最终的目的是要获得数字模型。”江师姐说。

“另外还有一些非主流软件，如Inventor，犀牛等。其实还有不少的CAE前处理软件，也具备比较强大的几何建模功能，如ANSYS Workbench中的DM，SCDM等模块，STAR CCM+的几何创建模块等，这些前处理模块也可以用于创建计算域几何。事实上这些前处理软件大多针对计算域模型提供了特定的工具，方便用户从复杂的实体几何中建立流体计算域。对于不是特别复杂的几何结构，强烈建议用这些前处理软件进行计算域创建。”江师姐补充道。

3 计算域几何的特殊之处

“流体计算域几何与一般的意义上所说的几何模型并没有什么不同，唯一不同的地方只是流体计算域表征的是流体流经的区域，因此与实体几何有些差异。还是拿管道来打比方，我们说管道的几何模型包含的特征参数包括管道的内径、外径以及管道长度，这是实体模型，然而如果要计算管道内部流体流动而创建的计算域模型，则可能只需要管道内径及长度这两个参数了，由于流体不能进入管道壁面内，因此管道外径这一参数就不需要了。”

“除了几何模型与实体模型不同以外，流体计算域还可分为内流计算域和外流计算域。”江师姐说。

“什么是内流计算域和外流计算域？他们的区别是什么呢？”小白问。

“这实际上是根据流体计算的目的来区分的。有的时候我们需要计算某一几何区域内部的流场分布，比如我们想要考虑房间内的温度分布，建模的时候流体域就是房间内部流体或热能到达的区域。此时的计算区域外边界是明确的（墙壁、天花板、地板、门、窗等），所要计算的区域是这些边界所围成的几何内部。因此我们常称这类几何模型为内流计算域。”江师姐说。

“同样的，外流计算域指的是感兴趣几何的外部区域。比如说我们要研究飞机在空气中飞行时的升力和阻力，此时需要在飞机的外部构建一个足够大的计算空间，以考虑空气对飞机结构的影响。这类计算几何模型我们常称为外流计算域，因为我们考虑的是物体外部的流场。”江师姐接着说。

“内流计算域好理解，但外流计算域就有点抽象了。照你刚才这么说，飞机外部的空间是无限大的啊，我们计算的时候难道也取无穷大空间？”小白问道。

“这问题提的很好。我们当然不可能取无穷大的空间用来计算外流场，虽然理论上是应该这么做。但实际上当我们取的计算区域足够大时，计算边界对感兴趣区域的影响几乎可以忽略。毕竟我们感兴趣的只是结构物壁面附近的区域。当然我们也不可能取一个无限大的空间来进行计算。”江师姐说。

“那取多大才叫足够大呢？”小白接着问。

“这个一般需要计算着自己去验证，基本要求是边界对感兴趣区域的影响可以忽略。不过对于一些典型问题，也有一些工程上的建议。比如飞机升阻力计算，在高空条件下不考虑地面效应的话，来流方向取5~10倍特征尺寸，尾流方向取15~30倍特征尺寸，侧面取5~10倍，上下取5~10倍。这里的特征尺寸和飞机的尺寸有关系。当然更好的做法是建立多种尺寸的计算域进行计算，比较计算结果。”江师姐说。

“嗯，好像有点儿了解了。”小白说。

4 小白总结

• 计算域是流体计算所考虑的区域，计算域包含时间域和空间域，超出计算域的区域是不被求解器所考虑的
• 流体计算域中可能包含有固体区域
• 常常采用专业的CAD软件来创建计算域几何模型，有时也用CAE前处理软件来创建
• 流体域常可分为内流计算域和外流计算域

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道