SnappyHexMesh(之二）背景网格
作者：互联网
转载：知乎大神 中国空气动力研究与发展中心 力学博士 刘云楚 的文章
5.2背景网格(blockMesh)
背景网格(blockMesh)功能简介
blockMesh是结构化的六面体网格生成器。一般用于生成简单几何模型的结构网格，随着几何图形复杂性的增加，需要设置参数的工作量也会大幅增加。通常处理复杂模型时，其作为snappyhexmesh软件的背景网格生成工具使用。
参数文件路径为system/blockMeshDict。建议使用一个通用模板，使用时只需修改指定参数。当然也可以使用m4或则Python脚本自动化生成。执行blockMesh命令时依赖文件openfoam中controlDict文件，blockMesh目前不支持并行运行。
每个block包含8个point和12个edges，它们的编码顺序如下图所示：
图1. Block构造示意图
blockMeshDict文件包含convertToMeters、vertices、blocks、edges、patches和mergePatchPairs六部分，相关说明如下表所示。
表1. BlockMesh主要参数列表
| 参数名 | 描述 | 示例 |
| convertToMeters | 点坐标缩放比 | 0.001 |
| vertices | 点坐标（单位：m） | (0 0 0) |
| edges | 常用于描述圆与样条曲线 | 圆：arc 1 4 (0.939 0.342 -0.5) |
| block | “block”信息列表，包含点标签有序列表与网格划分信息等 | 点标签列表：hex (0 1 2 3 4 5 6 7) 网格划分信息：(10 10 1) 各方向网格膨胀比：simpleGrading (1 1 1) |
| patches | 面列表 | symmetryPlane base( (0 1 2 3) ) |
| mergePatchPairs | 要合并的面列表 |
背景网格(blockMesh)参数简介
convertToMeters参数定义
用于定义几何的尺寸缩放系数，其缩放系数应用于所有坐标轴，几何单位为米。
convertToMeters 1.0;
vertices参数定义
点参数中列出block中包含的所有点坐标，点序号从0开始。
vertices
(
(0 0 0) //点序号为0
(1 0 0) //点序号为1
...
);
edges参数定义
该部分用于定义几何边参数，如果所有的边都是直边则不需要指定参数（如下示例1）。用户可以下表所列参数定义特定曲线。
表2. Edges主要类型列表
| 可选曲线类型 | 描述 | 格式 |
| arc | 圆弧 | arc V1 V2 (p1i p1j p1k ) |
| spline | 样条曲线 | spline V1 V2 ((p1i p1j p1k) (p21i p2j p2k) …) |
| polyLine | 折线 | polySpline V1 V2 ((p1i p1j p1k) (p21i p2j p2k) …) |
| BSpline | B样条曲线 | BSpline V1 V2 ((p1i p1j p1k) (p21i p2j p2k) …) |
| line | 直线 | — |
上表中v1和v2指定边的起始、终止端点编号。直线是边生成的默认设置，不需要用户进行参数设置。Arc圆弧中需要用户指定第三点坐标，软件依据起点v1和终点v2采用三点绘制圆弧。polyLine折线中需要用户指定多组坐标（注意点的顺序），软件用直线连接端点及其它指定坐标。spline样条曲线定义一条通过端点和指定坐标点序列的样条曲线。
示例1：采用默认直线，命令输入：
edges
(
);
图2. Line直线边网格展示
示例2:圆弧acr曲线参数设置。其端点坐标分别为v1 (-1 -1 -1)、v2 (5 -1 -1)、v4 (-1 -1 5)、v5 (5 -1 5)，参数命令输入如下：
edges
(
arc 0 1 (2 -2 -1)
arc 4 5 (2 -2 5)
);
效果图：
图3. Acr圆弧边网格展示
示例3:圆弧Spline曲线参数设置。其端点坐标分别为v1 (-1 -1 -1)、v2 (5 -1 -1)、v4 (-1 -1 5)、v5 (5 -1 5)，参数命令输入如下：
edges
(
Spline 0 1((1 -0.5 -1)
(3 -0.5 -1))
);
效果图
图4. Spline曲线边网格展示
示例4:圆弧Polyline曲线参数设置。其端点坐标分别为v1 (-1 -1 -1)、v2 (5 -1 -1)、v4 (-1 -1 5)、v5 (5 -1 5)，参数命令输入如下：
edges
(
polyLine 0 1((1 -0.5 -1)
(3 -2 -1))
polyLine 4 5((1 -0.5 5)
(3 -2 5))
);
效果图：
图5. Polyline曲线边网格展示
示例5:圆弧BSpline曲线参数设置。其端点坐标分别为v1 (-1 -1 -1)、v2 (5 -1 -1)、v4 (-1 -1 5)、v5 (5 -1 5)，参数命令输入如下：
edges
(
BSpline 0 1((1 0 -1)
(3 -2 -1))
BSpline 4 5((1 0 5)
(3 -2 5))
);
效果图：
图6. BSpline曲线边网格展示
Blocks参数定义
Blcoks参数设置包含hex和simpleGrading （如下命令输入示例）。hex后的第一个()内指定该block所需的8个点的序号，并按照block编码序列图中所示排列。第二个()用于定义xyz方向的网格划分数目（如下示例1）。simpleGrading后()用于定义xyz方向上，端点0处网格尺寸与端点1处网格尺寸间膨胀比（如下示例2），定义如下图SimpleGrading参数说明图中所示。
图7. SimpleGrading参数说明
命令输入示例：
blocks
(
hex (0 1 4 3 9 10 13 12) (5 5 5) simpleGrading (1 1 1)
);
示例1：不同网格划分等份对比
x方向网格划分数目分别为5、10，网格生成如下。
网格划分参数(5 5 5)
网格划分参数(10 10 10)
图8. 不同网格划分等份对比图
示例2：x方向不同网格膨胀比对比
膨胀比为x方向设置0.5，参数设置为simpleGrading(0.5 1 1)，生成网格图如下所示：
图9. X方向网格膨胀比为0.5
膨胀比为x方向设置为2，参数设置为simpleGrading(2 1 1)，生成网格图如下所示：
图10. X方向网格膨胀比为2
boundary参数定义
该部分用于定义网格边界的名称与边界类型，以及每个面的顶点编号列表(编号顺序满足右手准则)。当然用户也可以在仿真阶段使用createPatchDict文件对网格边界名称与类型进行更改。
命令输入示例如下：
boundary
(
top
{
type wall;
faces
(
(3 7 6 2)
);
}
...
)
用户可自定义的边界的名称（如示例中“top”）。可通过参数type指定边界类型，边界类型包括：壁面（wall）、对称平面（symmetryPlane）、周期性边界（cyclic ）、不一致的周期性边界（cyclicAMI）、二维轴对称边界（wedge）、2D边界（empty）。
使用一些特定边界类型时，需留意其使用场景及关联文件。例如：cyclic和cyclicAMI边界类型需在仿真求解时使用“neighbourPatch”指定网格匹配的交界面；目前Openfoam只支持三维网格计算，若用户想计算二维问题，可将三维计算域中的两侧壁面都设置为empty边界，以此作为二维计算边界。
faces参数指定了构成边界面的点的顺序。如下图中“（3 7 6 2）”表示由点3、7、6、2定义面信息（如下图中的上表面），其符合右手定则。
图11. Face构造示意图
mergePatchPairs参数定义
blockMesh允许用户使用多个block来创建网格。在包含多个block的情况下，需要处理各个block间连接问题。其有两种合并方式：
1、面匹配：
要求需合并的block A与block B中，交接面patch A1、patch B1的顶点是完全相同的。当通过面匹配来连接blocks时，用户不需要定义mergePatchPairs内参数。blockMesh会自动将这两个patch匹配成内部面，如下例所示：
mergePatchPairs
(
);
2、面融合：
两个block中的两个patch存在映射关系，不要求顶点完全相同。融合规则如下：
1）主面masterPatch保持不动，其上所有点坐标不做更改。
2）若主面masterPatch与副面slavePatch之间是存在间隙，则将副面slavePatch投影到主面masterPatch上，以满足面融合要求。
3）通过最小公差值调整副面上的节点的位置，提高主面与副面之间节点匹配度，以清除小于最小公差的细微边；
4）当主、副面间部分重叠时（如下图），重叠部分会成为内部面，不重叠的部分依然为外部面，需要定义边界条件；
5）如果副面slavePatch完全融合进主面中，则副面将会被移除。
图12. 面重叠示意图
当通过面融合来连接blocks时，需要在mergePatchPairs参数中定义要融合的两个patch，如下例所示：
mergePatchPairs
(
(<masterPatch> <slavePatch>)
);
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