结构化网络在CFD程序中的搭建基于精细的网格划分过程、网格生成算法、几何适应性、和网格优化技术。在CFD（计算流体动力学）程序中，结构化网络是由呈规则排列的、相互连接的网格单元组成，它遵循由几何边界所定义的空间分布。这种网格类型在处理具有规则几何形状的流场问题时是非常高效的。结构化网络一般通过算法自动产生，可以保持各项同性，更适合用于复杂的求解器和物理模型计算。现在，我们来详细探讨结构化网络的搭建过程。
一、网格划分
网格划分是结构化网络搭建中的第一个步骤，该过程要求将计算域分割成若干个小的、有序的子区域或单元。在这个过程中需要确定网格的密度和分布，这将直接影响到CFD模拟的准确性和计算效率。
- 在关键区域，如边界层、尾迹或流动分离区域等，通常需要更密集的网格来捕捉流体行为的细节；
- 在流动较为平缓的区域，则可以采用较为稀疏的网格。
二、网格生成算法
网格生成算法是实现结构化网格自动构建的核心，它能够根据预先定义的边界条件和网格密度要求自动生成网格。
- 代数方法：是较为传统且简单的结构化网格生成方式，通过指定边界上的节点分布，并将内部节点通过插值得到。这个方法简便且运算速度较快；
- 微分方法：基于偏微分方程(PDE)，可以更好地适应复杂的几何形态。通过解决控制方程来生成网格点的分布，它能够提供更加精准和灵活的网格控制手段。
三、几何适应性
几何适应性是指网格生成过程中对计算域内几何特征的适应能力。在结构化网络中，它指的是网格能夠根据流体动力学特点和几何形状进行自我调整。
- 边界匹配：结构化网格的边界需要与计算域的实际物理边界相吻合，这要求在搭建初期就要对复杂边界进行准确捕捉；
- 网格层次：在多尺度的流场中，合适的网格层次（或网格加密）将更有效地解决局部区域的流动特性。
四、网格优化技术
网格优化技术是确保获得高质量网格的关键。一个优化的结构化网络可以极大地提高求解器的稳定性和精确度，同时也能降低数值耗散和网格引起的误差。
- 网格平滑：通过调整内部节点的位置，降低网格变形，提高网格质量；
- 网格细化和粗化：在需要捕捉到细微流动特性的区域细化网格，在流场较平稳的区域进行粗化，以此实现网格密度的动态调整并优化计算资源使用。
结构化网络的搭建是一个复杂且精细的工程，需要综合考虑几何复杂性、流场特性以及计算效率，以便为流体动力学分析提供精确、高效的网格基础。高质量的结构化网格不仅能够加快收敛速度，还可以提高模拟结果的可靠性，并为后续的工程应用和理论研究提供强有力的支撑。
相关问答FAQs：
Q：CFD 程序中的结构化网络是什么？
A：CFD 程序中的结构化网络是指基于先验几何信息和单元网格的数值计算网格。它使用水平线和垂直线交叉形成的矩形单元，以保持网格的结构性和规律性。
Q：CFD 程序中的结构化网络如何搭建？
A：搭建结构化网络主要包括以下步骤：首先，根据待模拟的物体形状和流动特性，确定需要的网格类型；然后，根据物体的几何形状，进行网格生成，常用的方法有块状体法和复合体法；接下来，根据流体流动方程和边界条件，对网格进行修剪、调整，确保每个网格单元的性质和边界匹配；最后，进行网格的加密和精化，以提高模拟结果的精确度和计算的准确性。
Q：结构化网络在CFD模拟中的优势是什么？
A：结构化网络在CFD模拟中有以下优势：首先，结构化网络具有良好的几何对称性，能够更好地捕捉物体的边界和细节信息，提高模拟的精度；其次，结构化网络的网格形状规则、单元大小一致，有利于计算和求解流动方程，提高计算效率；最后，结构化网络的网格连接紧密，网格点的相对位置固定，有助于流场的数值稳定性和收敛性。
