CGNS (CFD General Notation System) — CAE用语解释

CGNS是"CFD General Notation System"的缩写，是用于标准存储CFD数据的格式。其基础是HDF5二进制格式，因此与文本文件完全不同。即使是数百万网格单元的大规模数据，也能高效处理，读写速度非常快，这是它的特点。

这正是当初的问题所在。1990年代的CFD行业中，各求解器都用各自专有的格式保存数据，所以从网格生成器A创建的网格传递到求解器B，再将结果传递给后处理工具C这样常见的工作流程就变得非常复杂。NASA和波音为中心，开发了一种"与求解器无关的共同数据格式"，这就是CGNS的起源。

完全正确，用文本编辑器打不开。不过可以使用专用的GUI工具如cgnsview或HDFView，用图形方式浏览树形结构。用Python的pyCGNS或h5py可以进行读写，用脚本自动处理也很简单。比如，可以用这样的代码获取节点列表：

问得好。CGNS可以直接利用HDF5的并行I/O功能（MPI-IO）。也就是说，即使用数千个进程进行分布式计算，各个进程也能同时写入到同一个CGNS文件的各自负责的区域。如果没有这个功能，就必须先把全部数据汇聚到rank 0，然后再写出，这样会导致内存和时间急剧增加。在数亿网格单元规模的分析中，并行CGNS实际上是必不可少的。

采用树形结构，各节点存储"名称""标签（类型）""数据"。大致的层次是这样的：

确实不同。对于结构化网格，只需在Zone_t中指定IJK大小（例如129×65×33），单元的连接信息就隐式确定，不需要Elements_t。而对于非结构化网格，需要在Elements_t中显式写入全部单元的顶点连接列表。在实务中，非结构化网格压倒性地更常见，所以掌握Elements_t的处理方式很重要。当有混合单元（四面体+棱柱等）时，需要按单元类型分别存储段落。

这是CGNS的最大优势。例如，用Pointwise或ICEM CFD创建网格，然后传递给ANSYS Fluent、OpenFOAM、FUN3D、elsA等不同的求解器，使用CGNS可以将转换工作最小化。不仅可以传递网格，还可以一起携带边界条件和解数据，使得传递给后处理工具（ParaView或Tecplot）的过程也很顺利。

说实话，完全无缝兼容还是有问题的。CGNS规范（SIDS: Standard Interface Data Structures）范围很广，各求解器支持的范围略有不同。例如，某种特殊边界条件类型可能被求解器A用专有扩展节点写入，而求解器B会忽略这个节点。不过，网格坐标和基本流场数据（压力、速度、温度）的互操作性非常高，大约8~9成的情况下都能顺利处理。

都支持。FlowSolution_t内有一个GridLocation_t节点，可以指定为Vertex（节点）或CellCenter（单元中心）。基于有限元法的求解器多使用节点值，而有限体积法基础的Fluent、OpenFOAM、FUN3D等自然使用单元中心值。如果不检查是用哪种方式存储的，在后处理时会导致数值偏差，要特别注意。

可以的。通过BaseIterativeData_t和ZoneIterativeData_t节点，可以管理各时间步的解数据指针。可以把所有时间步放在一个CGNS文件里，也可以按步骤分别存在不同文件中。实务上，如果是数千个时间步的非定常LES，全部放在一个文件里会达到几百GB，所以分割保存或间隔采样保存比较现实。

航空航天领域使用最多。NASA和AIAA相关的研讨会上，验证用基准测试案例的网格通常以CGNS格式发布，这已经成为标准。在涡轮机械领域，elsA、TURBO、CFX之间交换数据时CGNS也大显身手。最近，汽车CFD中CGNS的使用也在增加，很多人通过Python的meshio库与STL和VTK进行相互转换。

OpenFOAM有标准的ccm26ToFoam和cgnsToFoam转换工具（版本差异较大）。Foundation版本可能没有，但ESI版本（OpenCFD版本）通常包含CGNS读取功能。即使没有，也可以用Python的pyCGNS读取网格，然后编写脚本转换为OpenFOAM的polyMesh格式。反过来，也可以把OpenFOAM的结果导出为CGNS，然后用Tecplot可视化，这样的工作流程在实务中也很常见。

首先安装cgnsview，查看示例CGNS文件。可以直观地理解树形结构。接下来，只需阅读CGNS官方文档（SIDS）中GridCoordinates_t、Elements_t和FlowSolution_t这三个部分，就能覆盖实务工作的8成。如果要用Python读写，只需pip install pyCGNS安装，然后用小网格试验一下，这是最快的入门方式。