3. ANSYS Mesh应用
3.1 ANSYS Mesh软件
ANSYS Mesh是ANSYS Workbench中的网格生成模块，其主要负责为ANSYS系列产品提供计算网格。
3.1.1 ANSYS Mesh启动
Mesh作为Workbench的一个模块，只能在Workbench中启动。启动Mesh的方式有两种。
（1）独立模块
Mesh可以以独立模块方式启动，从工具列表中添加Mesh模块到工程面板，双击Mesh单元格即可进入Mesh模块。
（2）附加模块
在一些需要利用到Mesh的应用模块中，会自动附加Mesh模块。
3.1.2 ANSYS Mesh界面
ANSYS Mesh工作界面如图所示，整个界面分为6个部分。
① 工作菜单。一些常用的功能入口，如数据输入输出、视图转换、单位设置等。
② 功能选项卡。功能选项卡中包含了一些网格划分过程中辅助功能按钮。
③ 模型树。模型树是Mesh的核心结构，所有关于网格操作的功能均可以通过模型树进入。
④ 属性窗口。包含各种参数设置界面。
⑤ 图形窗口。主要用于模型显示及几何选择。
⑥ 输出窗口。用于显示一些系统信息。
3.1.3 网格生成流程
利用Mesh划分网格的基本流程如下。
（1）指定目标求解器
当启动Mesh导入几何模型后，第一步要做的操作是指定目标求解器。Mesh支持多种求解器，然而不同的求解器对网格的需求存在差异，因此在生成网格之前指定目标求解器是非常有必要的。
选择模型树中的网格/Mesh，在属性窗口中设置参数物理偏好/Physics Preference即可指定目标求解器。ANSYS Mesh支持6种目标求解器：Mechanical、Nonlinear Mechanical、Electromagnetics、CFD、Explicit、Hydrodynamics。
（2）指定网格尺寸
ANSYS Mesh中的网格尺寸包括全局尺寸与局部尺寸。
单击模型树中的网格/Mesh，在其属性窗口中的尺寸调整/Size选项中即可设置全局尺寸，如上图所示。
除全局尺寸外，Mesh还可指定局部尺寸，包括体尺寸、面尺寸、线尺寸等。通过鼠标右键选择模型树中的网格 Mesh，选择菜单插入/Insert→尺寸调整/Sizing可插入局部尺寸。
（3）边界命名
边界命名的目的是为了在处理器中更方便地设置边界条件。
在图形窗口中选中几何（2D模型中是线，3D模型中是面）之后，可右键单击窗口区域，选择菜单**创建命名选择/Create Named Selection…**并指定边界名称。
（4）生成网格
当上述工作准备完毕后，即可生成网格。用鼠标右键选择模型树中的网格/Mesh，选择菜单中的生成网格/Generate Mesh选项来生成网格。
（5）检查网格
网格生成完毕后，可检查网格质量。选择模型树中的网格/Mesh，设置属性窗口中选项网格度量标准/Mesh Metric中的内容为单元质量/Element Quality即可查看网格质量。此时会在消息窗口中列出网格质量直方图，在其中描述各类网格质量及其网格数量。
3.2 网格质量评价
对于不同类型的网格，其质量的评价指标不同。下面简单介绍ANSYS Mesh中关于网格质量的评价体系。对于其生成的网格质量有多种度量指标。
由于存在多种网格类型（三角形、四边形、四面体、五面体、三棱柱、六面体等），因此想要提出一套标准来衡量这么多不同形状的网格质量，并不是一件容易的事情。ANSYS Mesh针对不同类型的网格，采用不同的质量度量标准。
3.2.1 单元质量/Element Quality
从字面上理解，Element Quality就是指网格质量。ANSYS Mesh提供了这样一个指标用于度量各种类型的网格质量，该指标范围为0～1，越接近1表示网格越完美，在具体做分析时，可保证平均值不低于0.7。
该指标的计算方法分为2D和3D。
2D网格计算式为
式中，Quality为质量，Area为面积，Edgelength为边缘长度。
3D网格计算式为
式中，volume为体积。不同的网格类型所采用的C值不同，如下表所示。
网格类型 | C值 | 网格类型 | C值 |
三角形 | 6.928 | 六面体 | 71.5692 |
四边形 | 4.0 | 三棱柱 | 62.3538 |
四面体 | 124.707 | 金字塔 | 96 |
3.2.2 纵横比/长宽比/AspectRatio
Aspect Ratio（长宽比）常用于评价三角形或四边形网格质量。对于三角形和四边形网格的Aspect Ratio，计算方法略有不同。
（1）三角形网格
三角形的长宽比计算是通过构造矩形来实现的。
矩形构造方法如下。
选择任意网格节点，以此节点与相对应网格边的中点相连形成第一条线。
连接另外两条网格边的中点，构造第二条线。
以这两条线为中心构造矩形。
三角形的长宽比是3个矩形中拉伸最厉害的一个的长边与短边之比，除以3的平方根。
每一个三角形网格可以构造三个矩形，如下图所示。
Aspect Ratio（长宽比）为三个矩形的长宽比的最大值
因此正三角形的长宽比为1，其为三角形网格中质量最好的网格。其他形状的三角形网格长宽比均大于1，越大表示网格质量越差。
（2）四边形网格
四边形网格也是通过构造矩形来计算长宽比。其构造方法如下。
取四边形网格的四条边中点，连接起来构造两条相交的线。
以这两条线为中心构造矩形，通过这四个中点。
长宽比为
3.2.3 对边偏差角/平行度/Parale Deviation
Parale Deviation（平行度）常用于检测四边形网格，矩形的平行度为0°，该值越大表示网格质量越差。单元的形状越接近矩形，偏差角越小，单元形状越好，最好的值为0。
3.2.4 单元最大角度/Maximum Corner Angle
Maximum Corner Angle常用于三角形和四边形网格，表示统计网格中的最大角度，该值越大表示网格越差。对四边形而言，90度最好，对三角形而言，60度最好。
3.2.5 偏度/歪斜率/Skewness
Skewnes（歪斜率）是一种主要的网格度量参数，其用于评价网格趋近于理想网格的程度。该参数值为0～1，值越大表示网格质量越差，质量差的网格单元的特征是节点几乎共面（二维共线） ，歪斜率为0表示理想网格。偏度不能高于0.95，最好在0.90以下，越小越好。
偏度值 | 网格质量 |
0 | equilateral |
0~0.25 | excellent |
0.25~0.5 | good |
0.5~0.75 | fair |
0.75-0.9 | poor |
0.9~1 | bad(sliver) |
1 | degenerate |
对于2D网格，所有的网格单元都应该为Good或更好的，存在质量为Fair或更差的网格表明边界节点的质量较差，应该尽可能地改进边界网格，因为整体网格的质量不会比边界网格的质量好。
对于3D网格，大多数网格单元都应该为Good或更好的，但有一小部分通常会在Fair范围，甚至有一些Poor的网格。
3.2.6 正交质量/Orthogonal Quality
Orthogonal Quality为评价网格正交质量，取值范围0～1，其中值为1表示质量最高，为0表示质量很差。
3.3 全局网格控制
当启动ANSYS Mesh模块后，可以通过全局网格控制参数为所加载的计算模型指定网格尺寸、网格方法、网格生成控制等参数。需要注意的是，全局网格控制参数的优先级低于局部网格控制参数，只有当局部网格控制参数未设置时，全局参数才能起作用。全局网格参数包括显示/Display、默认值/Defaults、尺寸调整/Sizing、质量/Quality、膨胀/Inflation、高级/Advanced、统计/Statistics。
3.3.1 显示/Display
显示/Display节点下可以设置显示风格/Display Style选项。利用此选项可以指定图形窗口区域网格显示颜色，如可以使用网格质量评价参数显示网格颜色，便于对网格质量进行诊断。
3.3.2 默认值/Default
在Defaults节点中可以指定物理偏好、求解器偏好、网格导出格式、网格阶次等信息。
- 物理偏好/Physics Preference选项
Physics Preference选项允许Mesh根据用户指定的分析类型的物理特性来确定如何执行网格划分。可用的选项包括Mechanical、Nonlinear Mechanical、Electromagnetics、CFD、Explicit及Hydrodynamics，选择不同的Physics Preference值对应各种网格控制参数。 - 求解器偏好/Solver Preference
当Physics Preference选项选择CFD时，利用Solver Preference选项可以选择目标求解器，目前可选Fluent、CFX及Polyflow3种目标求解器。 - 导出格式/ExportFormat
当Solver Preference选择Fluent时，Export Format选项可选Standart与Large Model Support，通常情况下选择Standard即可。
通常情况下两种格式均可选择，但是当计算域中存在2D网格以及笛卡儿网格时，Large Model Support格式不能使用。 - 导出预览曲面网格/Export Preview Surface Mesh
当Solver Preference设置为Fluent，Export Preview Surface Mesh选项可用。利用此选项可导出面网格。该选项默认值为No，这导致只能将体网格导出到Fluent网格文件，若将其更改为Yes，则可将体网格和面网格同时导出到Fluent网格文件。 - 单元阶次/Element Order
此选项设定网格的阶次。利用此选项可以控制生成的网格是否具有中间节点，该选项有Program Controled、Linear及Quadratic3种可选参数。
默认选项为Program Controled；对于曲面及梁模型，该选项采用Linear；而对于实体模型及2D模型，该选项采用Quadratic。Linear选项去除所有网格边上的中间节点，所有的CFD求解器均采用此选项。
Quadratic选项保留网格边上的中间节点。
3.3.3 尺寸调整/Sizing
通过指定Sizing节点下的参数选项可以指定全局网格尺寸。
- 尺寸默认值
当几何模型被加载完毕后，Mesh模块会根据所设定的Physics Preference参数及几何特征数据自动计算出参数Max Face Size的值。
当几何模型为全三维实体时，最大尺寸Max Face Size被设置为包裹几何的三维块的对角线长度与Bounding Box Factor的乘积，默认情况下，Bounding Box Factor取值为0.05。该参数值可通过菜单文件File→选项Options打开的设置对话框中进行设置。
若几何模型中包含有片体，则Max Face Size值设置为平均表面积与Surface Area Factor的乘积。Surface Area Factor参数默认值为0.125，也可通过图中的对话框进行设置。
其他尺寸默认值通过Max Face Size计算得到。 - 捕获曲率
当单元尺寸的设置能达到捕获曲率的设置时，捕获曲率不生效，否则生效。默认曲率法向角为18°，则将360°的圆周划分为20等份。 - 捕获邻近度
可设置临近最小尺寸和间隙，默认间隙的单元数量为3，当体尺寸不能满足每个边上有3个网格时会生效。 - 受影响的几何体/影响体积
3.3.4 质量/Quality
Quality节点用于控制生成网格的质量以及网格质量检查的指标。通常情况下采用默认参数设置，如图所示。
- 监察网格质量/Check Mesh Quality：该参数用于控制网格生成过程中是否进行网格检查。默认参数为Yes，Erors为进行网格质量检查，且网格质量无法达到目标值时给出错误提示。
- 目标偏度/Target Skewnes：该参数控制生成的网格歪斜率，主要针对四面体网格。取值范围0～1，默认值为0.9，通常情况下，设置该参数值大于0.8，此参数设置过小，容易造成网格生成不成功。
- 平滑/Smoothing：该参数用于提高网格质量。参数包括Low、Medium及High。通常采用默认设置即可。如该参数设置为High，则会降低网格生成速度。
- 网格度量标准/Mesh Metric：设置网格好坏的度量指标。利用第3.2节所述网格度量指标对生成的网格进行质量评价。
3.3.5 膨胀/Inflation
在CFD计算中，常常需要生成边界层网格，如图所示。这种与壁面具有良好正交性的网格可以通过设置Inflation节点下的参数来实现。
- 使用自动膨胀/Use Automatic Inflation
此选项控制模型中哪些边界用于生成膨胀层网格
无/None：不生成膨胀层网格。
程序控制/Program Controled：由程序自己决定哪些边界生成膨胀层网格。若选择Program Controled选项，则除以下几何面外，其他所有面均被选：① 被命名的Faces。② 手工指定了Inflation的面。③ 接触区域中的面。④ 对称面。⑤ 一些不支持3D Inflation的网格生成方法（如Swep或Hex-dominant）中的面。⑥ 片体中的面。
选定的命名中选择所有的面/All Faces in Chosen Named Selection：从指定名称的面生成膨胀层网格。 - 膨胀选项/Inflation Option
该参数指定膨胀层网格生成方法，有5种方法可供选择。
- 总厚度/Total Thicknes：指定一个恒定的膨胀层网格高度。
- 第一层厚度/First Layer Thicknes：指定膨胀层网格第一层高度。
- 平滑过渡/Smooth Transition：在每个相邻层之间保持平滑的网格体积增长。膨胀层网格总厚度取决于基础面网格尺寸的变化（默认）。
- 第一层纵横比/First Aspect Ratio：通过定义基础面网格拉伸纵横比来控制膨胀层的高度。
- 最后一层纵横比Last Aspect Ratio：利用第一层高度、最大层数及网格纵横比来创建膨胀层网格。
- 膨胀算法Inflation Algorithm
可以通过Inflation Algorithm选项控制膨胀层网格生成方式。该参数包含后期Post及前期Pre两个选项，
- Post：先生成四面体网格，之后再生成膨胀层网格。利用此方法时，膨胀层选项改变不会影响到四面体网格。对于Patch Independent方法，默认采用Post方法生成膨胀层网格。
- Pre：先生成膨胀层网格，之后再生成四面体网格。Patch Conforming方法默认采用此方式生成膨胀层网格。
- 查看高级选项/View Advanced Options
可以通过此选项开启膨胀层网格高级选项。设置View Advanced Options为Yes时，可开启膨胀层网格高级参数设置选项。通常软件会根据用户选择的目标求解器自动调整这些选项中的参数值，一般情况下不需要进行修改。
3.6.6 高级/Advanced
- 用于并行部件网格划分的CPU数量/Number of CPUs for Parale Part Meshing
设置用于并行部件网格划分的CPU数量。对于并行部件网格划分，默认设置为程序控制Program Controled或0。这表示软件将使用所有可用的CPU。默认设置限制每个CPU使用2GB内存。用户可以显示地指定该值在0～256之间，其中0是默认值。 - 三角形表面网格剖分器/Triangle Surface Mesher：该选项设置Patch conforming方法中的面网格生成算法。一般情况下，Advancing Front算法能够提供更平滑的网格尺寸变化，以及更小的网格歪斜和更佳的网格正交性。此选项无法在Asembly Meshing中使用。该选项包括两种选择。
① Program Controled。此为默认选项，软件基于几何信息决定使用Delaunay还是Advancing Front算法。
② Advancing Front。软件主要采用Advancing Front算法，然而当网格生成过程中出现问题时，会改用Delaunay算法。
3.4 局部网格控制
当全局网格控制难以生成高质量的计算网格时，可以使用局部网格控制方法进一步加强对网格生成过程的控制。用鼠标右键选择模型树节点Mesh，弹出的子菜单项Insert下所有菜单项均为局部网格控制项。
- 面网格剖分/Face Meshing：控制面生成映射网格。
- 匹配控制/Match Control：控制边或面上网格节点对应。
- 收缩/Pinch：去除细小特征以提高网格质量。
- 膨胀/Inflation：指定边或面生成膨胀层网格。
3.4.1 方法/Method
选择合适的网格生成方法。用鼠标右键选择模型树节点Mesh，选择子菜单插入/Insert →方法/Method即可插入网格方法。
几何结构/Geometry：指定要应用网格方法的几何体。
- 自动/Automatic方法
默认情况下，软件采用Automatic方式划分网格。对于三维几何体，该方法尝试采用扫掠Swep方式生成网格；而对于曲面或平面几何，则尝试划分四边形网格；若三维几何无法采用Swep方法，则使用Patch Conforming Tetrahedron方法划分四面体网格。
可以通过鼠标右键选择模型树节点Mesh，选择菜单显示Show→可扫掠几何体Swepable Bodies显示可以采用扫掠方式生成网格的几何体。 - 四面体/Tetrahedrons方法
利用Tetrahedrons方法可以生成全四面体网格。通过设置Method选项为Tetrahedrons可激活此方法。该方法包Patch Conforming及Patch Independent两种算法。
Patch Conforming：
- 方法采用自底向上网格生成方式，网格划分过程为边→面→体。
- 所有的面及其边界都会被捕捉且生成网格（生成贴体网格）。
- 适用于高质量的CAD几何。
- 通过全局/局部控制指定网格尺寸。
- 可以使用膨胀层网格。
Patch Independent：
- 网格生产方式为自顶向下，划分过程为生成体网格→映射到面及边上。
- 几何面、边以及点没必要完全被捕捉。
- 适合于脏几何。·可以使用膨胀层网格。
- 六面体主导/Hex Dominant方法
利用此方法能够生成六面体占优网格，此方法适合于为无法利用扫掠方式生成的几何体划分六面体网格。所生成的网格中大部分为六面体网格，还包含少部分的四面体网格。通过设置Method为Hex Dominant可激活此方法。 - 扫掠/Sweep
采用Sweeep方法可以划分出高质量的六面体或三棱柱网格，此方法也是ANSYS Mesh生成六面体网格的主要方式之一。
六面体网格相对于四面体网格，能够减少网格数量，而且容易控制网格方向与流动方向一致，这在流动模拟中非常重要。因此在网格划分过程中，优先采用六面体网格。通过设定Method为Sweep可激活使用扫掠网格生成方式。
（1）Src/Trg Selection
- 几何模型必须满足扫掠条件才能使用扫掠网格。多数情况下软件能够自动判断几何的扫掠路径，而当自动判断的几何扫掠路径错误时，则需要用户手动指定，当用户指定了源面和目标面后，软件会自动根据用户所指定的信息判断出扫掠路径。
- 并非所有情况下都需要完全指定源面和目标面，较多情况下，只需要指定源面即可，当几何具有明显的扫掠特征时，源面和目标面都可以不指定。
- 当使用膨胀层网格时，网格参数定义在源面的边上，需要注意的是，若想要产生膨胀层网格，则必须手动定义源面，否则不会生成膨胀层网格。
- 当几何模型无法满足扫掠条件时，需要对几何体进行分解。
（2）自由面网格类型/Free Face Mesh Type
指定源面上网格类型，可以为全三角形、全四边形及混合三角形/四边形。当指定源面为全三角形时，生成三棱柱网格；当指定源面为全四边形时，生成六面体网格；当指定源面为三角形/四边形混合网格时，生成三棱柱/六面体混合网格。
（3）分区数量/Number of Divisions
该参数设置拉伸路径上网格分布。可以指定沿路径方向网格节点数量，也可以指定该方向上网格尺寸。
（4）扫掠偏差类型/Sweep Bias Type
利用此功能可以指定路径方向上网格分布规律。当要在路径方向上生成边界层网格时，利用此功能很容易实现。
- 多区域/MultiZone方法
MultiZone方法是基于ICEM CFD中的Blocking方法划分六面体网格，能够自动将几何模型分解为块，在适合于划分六面体网格的区域生成结构化六面体网格，而在其他区域生成非结构六面体网格、四面体网格或六面体占优网格。
在MultiZone方法中，可以采用自动或手动指定源面和目标面，允许指定多个面作为源面，该方法可以划分3D膨胀层网格。
（1）映射的网格类型/Mapped Mesh Type
通过此选项设置映射网格类型，可以是六面体Hexa、棱柱Prism及Hexa/Prism。Hexa类型生成全六面体网格；Prism类型生成全三棱柱网格；Hexa/Prism将会在六面体网格中插入三棱柱网格。
（2）表面网格法/Surface Mesh Method
面网格生成方法有Pave、Uniform及Program Controled 3种。
均匀Uniform：使用一种循环递归分裂方法生成高度均匀的网格。
铺设/Pave：在高曲率的面上创建一个高质量的网格。
程序控制/Program Controled：由程序自行决定采用Uniform或Pave方法。
（3）自由网格类型Free Mesh Type
指定自由网格的类型。对于无法划分全六面体网格的区域，可以指定其划分非结构网格。可以设置的网格类型包括四面体/Tetra、六面体主导/Hexa Dominant、六面体内核/Hexa Core及四面体Tetra/金字塔Pyramid。
3.4.2 尺寸/Sizing
Sizing是ANSYS Mesh中最重要的局部网格控制方法，可应用于点、边、面及体，可以指定Element Size（网格尺寸）、Number of Divisions（节点数量）、Body of Influence（影响体）、Spher of influence（影响球）等参数。
- 边尺寸调整/Edges Sizing
可以指定几何模型中边上的网格尺寸。如图所示，当选择的Geometry为几何模型中的边时，即可为该边指定网格尺寸。可以同时为多条边指定网格尺寸。
（1）类型/Type
在Type选项下可以指定不同的网格尺寸类型。最常用的是单元尺寸/Element Size与分区数量/Number of Divisions。通常这两种方式没有本质的区别，实际操作过程中视方便而定。
（2）影响球/Sphere of influence：可以指定一个球体，在该球体内指定网格尺寸，其中Sphere Center多数情况下需要采用自定义坐标系；Sphere Radius为影响球半径；Element Size为该影响球内网格尺寸。利用Sphere of Influence方法可以很方便地对某一局部区域进行网格加密或加粗。
（3）Factor of Global Size：设置一个缩放因子，将网格尺寸设置为全局尺寸与该缩放因子的乘积。 - 行为/Behavior
该参数用于指定网格是否需要严格按照指定尺寸进行分布，包括Soft与Hard两个选项。默认为Soft。
当选择Soft时，尺寸大小受全局尺寸函数的影响，如基于Proximity和/或Curvature的尺寸函数，网格尺寸并不严格等于所设定的网格尺寸。
若选择Hard，则网格尺寸严格等于所设定的网格尺寸。 - 面尺寸调整Faces Sizing及体尺寸调整Body Sizing
Faces Sizing及Body Sizing与Edge Size类似，可以为几何模型指定网格尺寸，也可以为几何模型中的某些面单独指定网格尺寸。 - 点尺寸调整/Vertex Sizing
Vertex Sizing为几何点指定网格尺寸，只能使用Sphere of Influence方法。其利用几何点作为影响球心，指定球体半径及网格尺寸。
3.4.3 面网格/Face Meshing
利用Face Meshing方法可以控制指定面生成映射网格，该方法可用于以下几个方面。
Sweep、Patch Conforming、Hexa Dominant方法。
Quad Dominant及Trangles方法。
MultiZone方法。
Uniform Quad/Tri及Uniform Quad方法。
当指定为Face Meshing的面上几何边数少于4时，，此时属性窗口中多出设置参数分区的内部数量Internal Number of Divisions用于设置径向方向网格数。如图中将内部节点数设置为3，则沿着径向方向生成3层网格。
当指定Face Meshing的面上几何边数大于4时，此时属性窗口会多出Advanced选项，通过设定多出的几何点信息，可辅助软件实现几何切分。通过指定几何中两个点为Sides，可顺利实现映射网格划分。
ANSYS Mesh中包括3种顶点类型，如图所示。
① Side：有1个相交的网格点，几何夹角136°～224°选择此类型。
② Corner：有2个相交的网格点，几何夹角225°～314°选择此类型。
如图所示的几何体，通过指定不同几何点类型可形成不同的计算网格。
3.4.4 周期网格/匹配控制/Match Control
匹配控制/Match Control用于创建周期网格，该方式能够控制所指定的面或边上网格节点对应。通过鼠标右键选择模型树节点Mesh，单击菜单Insert → Match Control即可激活此方法，此方法中涉及以下参数。
- 高几何结构选择/High Geometry Selection：选择用于生成匹配网格的面或边。
- 低几何结构选择/Low Geometry Selection：选择相对应的另一个面或边。
- 变换/Transformation：指定周期形式，旋转或平移。
3.4.5 收缩/Pinch
此方法可以对一些极端几何进行修改（如相切几何、锐角边等）。
3.4.6 膨胀/Inflation方法
与全局Inflation方法功能相同，局部网格控制中的Inflation方法也是用于生成膨胀层网格。通过鼠标右键选择模型树节点Mesh，单击菜单Insert → Inflation即可加入Inflation方法。当激活Inflation方法后，属性窗口中需要指定Geometry与Boundary，以及膨胀层网格参数。
通常情况下，Geometry选择三维几何体，而Boundary则选择需要生成膨胀层网格的几何面。然而当采用Sweep方法划分网格时，Geometry通常选择源面，而Boundary则选择构成源面的几何边。
3.5 边界层划分技巧
3.5.1 扫掠+边界层
3.5.2 多区域Multizone+边界层——类似ICEM块的思想
3.5.3 多区域+面网格+几何切分（Block）
