# Fluent 网格质量全面评估（完整学习笔记）
1. 背景与动机（Why）
在 Fluent 中，求解器需要将连续的流体域离散为有限数量的单元。
所有微分方程（质量方程、动量方程、湍流方程、多相方程等）都会被离散到网格中心或者面。
如果网格质量差，会导致：
- 边界层解析不准确
- 压力梯度不稳定
- 残差震荡或发散
- 速度场出现明显噪声
- 多相流界面断裂
- 质量不守恒
- 求解速度极慢
因此：
网格质量决定 Fluent 模型是否能收敛，数值结果是否可信。
CFD 求解的"三大基石"：
- 适当的物理模型
- 合适的数值方法
- 高质量网格（本章主题）
其中网格是基础中的基础。
2. 网格质量的理论基础（Math + Physics）
一个单元是否高质量，主要取决于它是否能让离散方程稳定、准确。
2.1 数值稳定性要求
离散方程通常形如：
aPϕP=∑NaNϕN+b a_P \phi_P = \sum\limits_N a_N \phi_N + b aPϕP=N∑aNϕN+b
网格质量差会导致：
- 面法向量方向异常（non-orthogonality）
- 面中心位置偏移
- 单元体积奇怪
- 邻接面面积太小或过大
这些都会破坏 aPa_PaP 的正性，导致求解器不稳定，甚至在迭代中变成负值（直接发散）。
2.2 精度要求
偏微分方程的离散依赖于：
- cell 面方向
- 梯度重构
- Face Interpolation Scheme
- 坐标变形程度
若网格 skewness（扭曲度）大、orthogonal quality（正交质量）低，则梯度重构误差增加，导致：
- 压力振荡
- 界面不平滑
- 湍流变量不稳定
3. Fluent 中网格质量指标（核心概念）
3.1 Orthogonal Quality（最重要）
衡量一个单元的法向量与面方向的正交程度，范围 0--1。
- < 0.15 → 非常差，强烈导致发散
- 0.2--0.3 → 最低可接受
- > 0.4 → 良好
- > 0.5 → 高质量
这是 Fluent 求解中判断网格好坏的第一指标。
3.2 Skewness（第二重要指标）
衡量单元扭曲程度。
- 0--0.25：优秀
- 0.25--0.5：较好
- 0.5--0.85：可接受
- > 0.85：高风险区域（VOF、湍流特别危险）
3.3 Aspect Ratio（长宽比）
表示单元是否"细长"。
- < 20 → 一般流动
- < 50 → 边界层可接受
- 100--1000 → 湍流边界层常见，但必须平滑变换
3.4 Jacbobian Ratio（几何雅可比）
反映坐标映射是否稳定。
-
0.2 → 可接受
3.5 Face Area / Cell Volume / Volume Change
判断是否出现突然的体积跳跃。
要求：
- 变化平滑
- 不能出现负体积单元（fatal error）
4. Fluent 中查看网格质量（Fluent Implementation）
4.1 使用 Mesh → Check（快速检查）
路径：
Mesh → Check检查内容：
- 负体积
- 退化单元
- 无效连接
- 多边形面重复
若出现 negative cell volume → 必须修复。
4.2 显示网格质量分布
路径：
Mesh → Display → Mesh Quality可以显示：
- orthogonal quality
- skewness
- aspect ratio
Fluent 会自动高亮最差单元。
4.3 Mesh → Examine Mesh（定位最差单元）
这是最常用的工具。
步骤：
- 选择 "Skewness" 或 "Orthogonal Quality"
- 勾选 "Mark Worst Cells"
- 勾选 "Report Cell Locations"
可以直接在图形窗口看到坏单元的位置。
4.4 网格质量直方图（推荐）
路径：
Mesh → Quality → Histogram你可以看到：
- 每个质量区间的单元数量
- 是否存在大面积低质量网格
5. 网格质量要求（根据不同工况）
5.1 单相流
- Orthogonal Quality > 0.2
- Skewness < 0.85
- Aspect Ratio 平滑即可
5.2 湍流（k--ε、k--ω）
- Orthogonal Quality > 0.25
- y+ 合理（wall function 或低雷诺数）
- 边界层网格尽量六面体、有层网格（inflation layers）
5.3 VOF 多相流
要求更严格：
- Orthogonal Quality > 0.3
- Skewness < 0.5
- 界面所在区域网格必须规则、等距
- 不允许体积突变
否则界面会破裂。
5.4 高速压缩流
- Orthogonal Quality > 0.3
- 尖锐几何角处必须加密
- 冲击波区域必须规则网格
5.5 旋转机械（滑移面）
- 滑移界面附近不能有 skew 单元
- Orthogonal Quality > 0.3
6. 常见问题与原因（Pitfalls）
| 现象 | 原因 | 对应网格问题 |
|---|---|---|
| 残差震荡 | skewness 高 | 单元扭曲 |
| 发散 | orthogonal quality 太低 | 面法向量不正交 |
| VOF 界面跳跃 | 单元过粗 + high skew | 断裂 |
| reversed flow | 壁面网格过大 | 边界层不足 |
| 求解很慢 | mesh 体积变化大 | 梯度难解析 |
| 温度场局部异常 | skewness > 0.85 | 梯度错位 |
7. 最佳实践（Best Practice）
✔ 最重要的三条
- Orthogonal Quality > 0.2 必须满足（最低标准）
- Skewness < 0.85 是 Fluent 的硬性条件
- 局部差网格才是真正导致发散的原因（而非全局）
✔ 网格优化常用方法
7.1 在 Fluent Meshing 中优化
- Smooth（平滑网格）
- Swap（换面）
- Improve（自动修复）
- Refine region（局部加密）
- Local cell remeshing（局部重建）
7.2 在 ICEM 中优化（高级）
- Blocking 重新划分
- O-grid 处理棱角
- 调整节点位置
- 删除高 skew 的三角单元重新铺网
7.3 在 SpaceClaim / Ansys Meshing 中优化
- Use MultiZone（生成六面体）
- Inflation（层网格）
- Proximity and Curvature 控制
✔ 常用建议总结
- 边界层一定要使用层网格（inflation）
- VOF 区域网格必须规则
- 复杂几何尽量使用六面体而不是四面体
- 高 skew 单元通常集中在几何小角、狭缝，需要局部加密
- 如果最低质量网格 <0.15，通常不值得继续求解
8. 综合结论（一句话记忆）
Fluent 网格质量的核心是：Orthogonal Quality 和 Skewness。
任何低于 0.2（OQ）或高于 0.85（Skew）的单元，都可能导致计算失败。
下面给你一个 Fluent 网格质量评估表（Mesh Quality Evaluation Checklist） 。
格式为 Markdown，可直接加入你的笔记或文档中。
# Fluent 网格质量评估表（Mesh Quality Evaluation Checklist）
本表用于在 Fluent 计算前 快速判断网格是否可用、是否需要修复、是否适合目标物理模型。
## 1. 基础质量指标（Basic Metrics）
| 指标 | 检查内容 | 推荐标准 | 是否通过 |
|---|---|---|---|
| Orthogonal Quality | 正交质量是否低于 0.2 | > 0.2（最低） >0.3（较好） >0.5（优秀） | ☐ 是 / ☐ 否 |
| Skewness | 扭曲度是否高于 0.85 | < 0.85（硬性要求） <0.5（较好） | ☐ 是 / ☐ 否 |
| Aspect Ratio | 长宽比是否过大 | < 100（一般） < 20（较好） | ☐ 是 / ☐ 否 |
| Jacobian Ratio | 雅可比是否合法 | > 0.2 | ☐ 是 / ☐ 否 |
| Cell Volume | 是否存在负体积或极小体积 | 必须 > 0 | ☐ 是 / ☐ 否 |
| Face Area | 面面积变化是否平滑 | 无突变 | ☐ 是 / ☐ 否 |
## 2. 专项检查（According to Physics Models）
### A. 多相流（VOF / Eulerian）
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| VOF 界面区域网格是否规则 | 必须规则、等距 | ☐ |
| Orthogonal Quality | > 0.3 | ☐ |
| Skewness | < 0.5 | ☐ |
| 横向体积变化是否过大 | 不可突变 | ☐ |
| 是否存在长瘦单元 | 不可用于界面 | ☐ |
### B. 湍流模型（k--ε, k--ω, SST）
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| y+ 是否满足选用的湍流模型 | y+≈1（低Re）或 y+=30--300（壁函数） | ☐ |
| 边界层是否有足够的 inflation layers | ≥ 10 层（推荐 15--20） | ☐ |
| Aspect Ratio 增长是否平滑 | 必须 | ☐ |
| Orthogonal Quality（壁面附近） | >0.25 | ☐ |
### C. 热流 / 高梯度区域
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| 热源附近是否加密 | 必须 | ☐ |
| 面角是否规则 | 必须 | ☐ |
| Orthogonal Quality | >0.2 | ☐ |
### D. 压缩流（高速流 / 超声速 / 冲击波）
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| 冲击波区是否局部加密 | 必须 | ☐ |
| Orthogonal Quality | >0.3 | ☐ |
| Skewness | <0.5 | ☐ |
| 边角是否出现退化单元 | 禁止 | ☐ |
### E. 旋转机械（滑移面 / MRF / 动网格）
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| 滑移接口网格是否规则 | 必须 | ☐ |
| 旋转部分网格是否过度扭曲 | 禁止 | ☐ |
| Orthogonal Quality | >0.25 | ☐ |
| 是否有局部高 skew 单元 | 禁止 | ☐ |
## 3. Fluent 内置检查项（Fluent Built-in Checks）
### A. Mesh → Check
| 检查项 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| Negative Cell Volume | 必须无 | ☐ |
| Degenerate Cells | 需修复 | ☐ |
| Incorrect Face Orientation | 禁止 | ☐ |
| Non-manifold Faces | 禁止 | ☐ |
### B. Mesh → Examine Mesh
| 检查点 | 要求 | 是否通过 |
|---|---|---|
| 是否存在极端坏单元 | 必须修复 | ☐ |
| 最差单元位置是否在关键区域（VOF/壁面） | 若是 → 必须重建 | ☐ |
| 是否只有局部坏网格 | 可局部加密 | ☐ |
## 4. 数值风险评估（Risk Assessment）
| 风险现象 | 是否出现 | 可能原因 |
|---|---|---|
| 残差震荡 | ☐ 是 / ☐ 否 | skewness 高 |
| 压力场噪声 | ☐ 是 / ☐ 否 | 非正交性差 |
| reversed flow | ☐ 是 / ☐ 否 | 壁面网格粗 |
| 多相界面破裂 | ☐ 是 / ☐ 否 | 体积变化大 |
| 温度场振荡 | ☐ 是 / ☐ 否 | 梯度差 |
## 5. 网格修复建议（Quick Fix Guide）
- 局部加密（Refine region）
- 删除高 skew 单元（Remesh local area）
- 增加边界层（Inflation）
- 使用六面体网格（MultiZone / Blocking）
- 平滑（Smooth）或交换面（Swap）
- 重建几何角、尖锐区域