CFD的核心在于將復(fù)雜的流體運動轉(zhuǎn)化為一組數(shù)學(xué)方程，而網(wǎng)格是將連續(xù)空間離散化的關(guān)鍵步驟，直接決定了求解的準(zhǔn)確性和計算資源的需求。傳統(tǒng)的簡單網(wǎng)格難以精確捕捉復(fù)雜流型和邊界效應(yīng)，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格雖靈活卻增加了算法復(fù)雜度與計算成本。正是在這樣的背景下，笛卡爾網(wǎng)格的存在，成為了平衡CFD模擬精度與效率天平的重要砝碼。

什么是笛卡爾網(wǎng)格？

笛卡爾網(wǎng)格，又稱為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以其規(guī)則的平直正交結(jié)構(gòu)著稱，是一種規(guī)則的網(wǎng)格劃分方式，其中每個網(wǎng)格單元都是由直線或平面構(gòu)成的矩形或六面體。與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，笛卡爾網(wǎng)格的最大特點是其規(guī)則性和高效性。這種網(wǎng)格系統(tǒng)基于笛卡爾坐標(biāo)系構(gòu)建，能夠通過簡單的數(shù)學(xué)索引描述每個網(wǎng)格點的位置，從而簡化了數(shù)值求解過程中的計算步驟。笛卡爾網(wǎng)格必須結(jié)合界邊界/界面描述方法，才能用于帶復(fù)雜幾何邊界的流動仿真。浸沒邊界方法（Immersed Boundary Method）和切割單元方法（Cut-cell Method）是最流行的兩種邊界描述方法。浸沒邊界方法，將邊界的作用轉(zhuǎn)化為控制方程的體積源項處理，精度較低。后期發(fā)展的清晰界面方法，可以將界面處的精度提高至二階，但不滿足格式守恒性。切割單元方法一般結(jié)合有限體積方法使用，具備二階精度，且嚴(yán)格遵守離散守恒律。但對于三維問題，特別是三維動邊界問題，處理復(fù)雜。

為提高邊界附近的捕捉精度，可以通過一些方法對笛卡爾網(wǎng)格進(jìn)行“局部加密”。加密方法有兩種。一是叉樹型方法，對于三維笛卡爾網(wǎng)格，一般采用八叉樹的方法，在邊界附近進(jìn)行網(wǎng)格加密。二是“塊加密”方法，即使用更加緊密的笛卡爾網(wǎng)格塊，給邊界附近的網(wǎng)格區(qū)域“打補(bǔ)丁”，與嵌套網(wǎng)格類似。叉樹型方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有更好的動態(tài)負(fù)載均衡性。塊加密的方法，存儲結(jié)構(gòu)相對簡單。

笛卡爾網(wǎng)格有哪些優(yōu)勢？

計算效率高：由于網(wǎng)格的規(guī)則性，笛卡爾網(wǎng)格便于實現(xiàn)高效的算法，如快速傅里葉變換(FFT)、線迭代和幾何多重網(wǎng)格方法，這些算法能夠顯著提高求解效率，加速流體仿真過程，減少計算資源的消耗。

邊界處理靈活：盡管笛卡爾網(wǎng)格在處理復(fù)雜幾何形狀時需要較多的網(wǎng)格數(shù)量來保持求解精度，但上述基于笛卡爾網(wǎng)格的加密技術(shù)，可有效緩解這一挑戰(zhàn)。

數(shù)值穩(wěn)定性強(qiáng)：結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的規(guī)則性有利于保持?jǐn)?shù)值計算的穩(wěn)定性，尤其是在求解偏微分方程時，能夠有效避免因網(wǎng)格扭曲導(dǎo)致的數(shù)值誤差。

易于并行計算：笛卡爾網(wǎng)格的規(guī)則分布天然適合于并行計算環(huán)境，能夠輕松地將計算任務(wù)分配到多個處理器上，保持負(fù)載相對均衡，縮短仿真計算時間。

結(jié)果及分析與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的對比優(yōu)勢？

網(wǎng)格生成自動化，工作效率大幅提升：與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相比，笛卡爾網(wǎng)格的生成過程更加規(guī)則，便于自動化處理。這意味著在面對大量重復(fù)或相似的仿真任務(wù)時，可以快速生成高質(zhì)量網(wǎng)格，減少人為干預(yù)，提高工作效率。例如，國產(chǎn)流體仿真軟件VirtualFlow內(nèi)置了先進(jìn)的網(wǎng)格自動生成工具，能夠針對不同幾何模型自動優(yōu)化網(wǎng)格布局，確保仿真精度。

靈活處理復(fù)雜幾何形狀：雖然非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在處理復(fù)雜幾何形狀方面具有靈活性，但隨著算法的進(jìn)步，如國產(chǎn)流體仿真軟件VirtualFlow采用的局部加密技術(shù)，笛卡爾網(wǎng)格也能有效應(yīng)對復(fù)雜幾何挑戰(zhàn)，同時保留其計算效率優(yōu)勢。

計算資源消耗較少：相較于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可能需要更多的計算資源來維護(hù)連接信息和不規(guī)則數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，笛卡爾網(wǎng)格的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)存占用低，這對于大規(guī)模仿真尤其重要，能夠在有限的硬件資源下完成更復(fù)雜的模擬任務(wù)。

VirtualFlow - 采用笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)的多相流仿真軟件

由積鼎科技自主研發(fā)的通用流體仿真軟件Virtualflow是一款專注于多相流仿真的國產(chǎn)自主CFD軟件，它采用了笛卡爾網(wǎng)格技術(shù)，為用戶提供了一個高效、易用的一站式流體仿真平臺。采用獨創(chuàng)的浸沒表面技術(shù)（IST），可實現(xiàn)導(dǎo)入CAD文件后，自動生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并且可根據(jù)分析需求對模型分塊及局部加密，在保證精度的前提下，避免前處理部分大量重復(fù)性工作；同時，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也提高了并行計算的效率。

Virtualflow的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格設(shè)計，使得并行計算的效率得到了提升，在處理大規(guī)模、復(fù)雜的流體仿真任務(wù)時，能夠以更快的速度提供結(jié)果，大大縮短了工程周期。

Virtualflow不僅在網(wǎng)格技術(shù)上有突出優(yōu)勢，在保持高效計算的同時，更憑借其豐富的多相流模型和相變模型，可廣泛滿足工程界和科研界對流體仿真分析的需求。無論是在航空航天、能源電力、還是石油化工、環(huán)境工程領(lǐng)域，Virtualflow都能提供高效的仿真分析，幫助用戶優(yōu)化設(shè)計，提高效率。

VirtualFlow免費申請試用

審核編輯 黃宇