OpenFOAM v2512 网格体系总览：从静态共形网格到重叠网格

在 OpenFOAM 中，“网格类型”至少存在三套彼此独立的分类标准：

1. 按单元几何形状分类：六面体、四面体、棱柱、棱锥和任意多面体；
2. 按拓扑组织方式分类：结构化、块结构化和非结构化；
3. 按计算过程中网格如何连接、运动和更新分类：静态共形网格、移动/变形网格、AMI 滑移网格、重叠网格、拓扑变化网格和动态加密网格。

“重叠网格与六面体网格哪个好”不是一个严格的问题。前者描述多套网格之间如何连接，后者描述单元的几何形状。六面体网格既可以用于静态计算，也可以用于 AMI、重叠网格或动态加密。

本文采用第三种分类方法，建立 OpenFOAM v2512 网格体系的整体框架。

1. OpenFOAM 的底层网格：polyMesh 与 fvMesh

OpenFOAM 使用通用多面体网格数据结构。一个有限体积计算区域的核心文件位于：

constant/polyMesh/
├── points
├── faces
├── owner
├── neighbour
└── boundary

其中：

• points：所有网格点坐标；
• faces：每个面的顶点编号；
• owner：每个面所属的主单元；
• neighbour：内部面的邻单元；
• boundary：边界面分组及其 patch 类型。

这种存储方式不要求单元必须是六面体。只要一个单元由封闭面围成，并满足几何和拓扑合法性，就可以参与有限体积离散。

fvMesh 在 polyMesh 的几何和拓扑信息之上，增加单元体积、面面积矢量、单元中心、面中心及插值系数等有限体积数据。

对于动态问题，OpenFOAM 通过 dynamicFvMesh 抽象类统一处理：

• 网格点位置变化；
• 网格拓扑变化；
• 网格运动与拓扑变化同时发生。

如果算例中不存在 constant/dynamicMeshDict，v2512 会自动使用 staticFvMesh。

2. 按运动与连接方式划分的六类网格

2.1 静态共形网格

静态共形网格满足：

• 计算期间网格点坐标不变；
• 单元和面的连接关系不变；
• 同一计算区域内相邻单元共享同一个内部面；
• 不需要跨接口插值。

这类网格的数值链条最短，守恒处理最直接，通常也是精度、稳定性和计算效率的基准。

典型应用包括固定管道、建筑通风、固定炉膛、换热器以及不解析叶片真实运动的稳态旋转机械。

2.2 移动或变形网格

这类方法允许网格点随时间移动，但保持单元连接关系不变。

可分为：

• 刚体运动：局部或整体网格平移、旋转，单元相对形状不变；
• 变形网格：边界运动通过 Laplace、弹性或应力类方程向内部传播，单元发生拉伸和扭曲。

v2512 中常见网格类包括：

dynamicMotionSolverFvMesh
dynamicMotionSolverListFvMesh
dynamicMultiMotionSolverFvMesh

常用运动求解器包括：

solidBody
displacementLaplacian
displacementSBRStress
sixDoFRigidBodyMotion

该方法没有跨网格插值，但运动幅度受网格质量限制。

2.3 AMI 滑移网格

AMI 是 Arbitrary Mesh Interface，即任意网格接口。

AMI 两侧的网格：

• 在体积上不重叠；
• 在公共界面处不必一一共形；
• 通过界面面积交叠关系传递变量和通量。

常用 patch 类型为：

type cyclicAMI;

AMI 特别适合固定转轴旋转机械，例如风机、泵、压缩机、搅拌器和螺旋桨。

2.4 重叠网格

重叠网格又称 Overset Mesh 或 Chimera Mesh。它由两套或多套相互独立、在空间中重叠的网格组成。

重叠区内需要识别：

• calculated cells：正常求解单元；
• donor cells：供体单元；
• acceptor/interpolated cells：受体或插值单元；
• hole cells：被遮挡、不参与求解的孔洞单元。

v2512 中可使用：

staticOversetFvMesh
dynamicOversetFvMesh

重叠网格适用于大位移、复杂轨迹、多运动体和六自由度运动，但插值误差、质量守恒和并行通信成本高于 AMI。

2.5 拓扑变化网格

拓扑变化意味着计算过程中发生以下一种或多种变化：

• 单元增加或删除；
• 网格层增加或删除；
• 面连接关系改变；
• 两个接口连接或断开；
• 单元分裂或合并。

v2512 中仍包含多种专用网格类，例如：

topoChangerFvMesh
movingConeTopoFvMesh
linearValveFvMesh
linearValveLayersFvMesh
mixerFvMesh

它们常用于活塞、阀门、往复腔体和规则滑动机构。

2.6 动态加密网格

dynamicRefineFvMesh 根据计算场自动细化或粗化单元。它本质上也属于拓扑变化，但由于应用方式独立，通常单列为一类。

典型触发场包括：

• VOF 相分数；
• 温度或组分梯度；
• 涡量；
• 压力梯度；
• 用户构造的误差指示场。

适用于气液界面、火焰、激波、羽流和局部高梯度输运问题。

3. 六类网格的核心区别

4. MRF 为什么不属于网格类型

MRF，即 Multiple Reference Frame，是多参考系法。

MRF 的网格通常保持静止，在指定区域的动量方程中加入旋转参考系项。它是一种物理建模和方程处理方法，不是动态网格类型。

但在旋转机械工程中，MRF 常与 AMI 和重叠网格并列比较：

5. 选择网格方法的基本逻辑

5.1 固定几何

优先使用静态共形网格。

5.2 固定轴连续旋转

选择顺序通常为：

1. 只需要时间平均结果：MRF；
2. 需要真实叶片通过效应：AMI；
3. 接口难以构造或存在多个复杂运动体：重叠网格。

5.3 小幅边界运动

优先尝试移动/变形网格。若全周期内 checkMesh 指标可控，则没有必要引入插值接口。

5.4 大位移或任意轨迹

优先考虑重叠网格。若运动具有规则的一维层增删特征，可考虑拓扑变化网格。

5.5 局部高梯度随时间移动

考虑动态加密。动态加密解决的是“哪里需要更细”，而不是“物体怎样运动”。

6. 网格方法不能替代网格质量控制

无论采用哪种方法，都应检查：

checkMesh -allGeometry -allTopology

动态计算还要监控：

• 最大非正交角；
• 最大偏斜度；
• 最小单元体积；
• 网格 Courant 数；
• AMI 覆盖率和权重；
• Overset 供体数量、孔洞单元和插值层；
• 动态加密后的 2:1 层级约束；
• 入口、出口及各耦合界面的质量守恒。

“计算能够运行”不等于网格方法正确。网格运动、插值和拓扑变化都会改变离散误差结构，因此必须通过守恒检查、时间步独立性和网格独立性验证其可靠性。

7. 本专栏的文章结构

本网格子栏目包括：

1. 静态共形网格；
2. 移动与变形网格；
3. AMI 滑移网格；
4. 重叠网格；
5. 拓扑变化网格；
6. 动态加密网格。

后续文章均以 OpenCFD 发布的 OpenFOAM v2512 为基准。不同 OpenFOAM 分支在类名、字典关键字、求解器名称和教程路径上可能不同，使用前应先确认发行分支。

参考资料

• OpenFOAM v2512：dynamicFvMesh 类参考
• OpenFOAM v2512：fvMesh 类参考
• OpenFOAM v2512：动态网格类列表

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