OpenFOAM网格生成
理论：网格工具与壁面处理
概述
OpenFOAM没有图形界面的网格工具，网格怎么生成？
通过文本设置文件来生成。基础工具是blockMesh：在system/blockMeshDict中写出顶点坐标、块（六面体）的分割数和网格增长率（grading），就能得到结构网格。复杂形状先用blockMesh生成箱形背景网格，再把STL表面形状交给snappyHexMesh，分三步完成：(1) 在表面和指定区域细分网格（castellatedMesh），(2) 把网格节点移到表面上（snap），(3) 从壁面挤出薄网格层（addLayers）。也可以转换外部网格工具生成的网格。无论哪种方法，最后都用checkMesh检查网格畸变（非正交性、偏斜度）和负体积。
网格比、第一层网格与y+
r为blockMesh的simpleGrading中最后一个与第一个网格的尺寸比，N为网格数，h为壁面到中心的长度，Δy₁为第一层网格厚度，u_τ为摩擦速度，C_f为流道摩擦系数（Dean公式），ν为运动黏度。y+取第一层网格中心处的值。
对六面体的执着
正如snappyHexMesh这个名字所示，OpenFOAM的网格生成以六面体为中心。OpenFOAM的有限体积法可以处理任意多面体网格，但六面体在同样精度下所需网格更少，与流动方向对齐时数值扩散也更小。snappyHexMesh用“切削六面体背景网格以贴合形状”的方法，即使形状复杂，大部分网格仍保持六面体。只有贴合表面的部分变成多面体，而它们的质量往往决定整个网格的质量。
算例
空气ν = 1.5×10⁻⁵ m²/s；Dean式Re按50 mm全通道高度定义，此处不是水力直径。r = 1时Δy₁ = h/N。y+适用范围取决于壁面处理，不能把所有全y+壁函数都判为不适用。后处理命令也随版本不同。
例1：高50 mm流道，空气10 m/s（半高40个网格）
雷诺数33,333，摩擦系数0.0054，摩擦速度0.52 m/s，黏性长度ν/u_τ约29 µm。
| 网格比r | 第一层网格 | y+ | 中心网格 | 判断 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 625 µm | 10.8 | 0.62 mm | 缓冲层：两者都不适合 |
| 10 | 158 µm | 2.7 | 1.58 mm | 稍粗 |
| 40 | 58 µm | 1.0 | 2.3 mm | 适合壁面解析 |
| 200 | 16 µm | 0.28 | 3.19 mm | 壁面过细、中心过粗 |
使用壁函数时以y+ ≈ 30为参考，第一层网格约1.7 mm，半高均分约14个网格。
40个均分网格看起来很细、很稳妥。为什么说“两者都不适合”？
因为y+ ≈ 11处于缓冲层，介于壁面附近黏性主导的层（y+ < 5）与对数律成立的层（y+ > 30）之间。壁函数以第一层网格位于对数律层为前提确定壁面剪应力，放在缓冲层会算错摩擦和传热。而解析到壁面的低雷诺数模型需要第一层网格在y+ ≈ 1以下、用几个网格解析黏性层，y+ ≈ 11又太粗。OpenFOAM的kOmegaSST可以与nutUSpaldingWallFunction这类适用于全y+范围的壁面处理配合使用，但缓冲层的误差仍然最大。计算后一定要用yPlus工具（postProcess -func yPlus）输出壁面y+分布，确认是否在目标范围内。
例2：snappyHexMesh加密级别与边界层（背景网格8 mm）
| 级别 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|---|
| 网格尺寸 | 8 mm | 4 mm | 2 mm | 1 mm | 0.5 mm |
在级别3（1 mm）的壁面上以5层、expansionRatio 1.2、finalLayerThickness 0.5（相对值）添加边界层，从外到内依次为0.50、0.42、0.35、0.29、0.24 mm，总厚1.79 mm，第一层0.24 mm（例1的流动中y+ ≈ 4）。要达到y+ ≈ 1，需要增加层数或提高壁面加密级别。
实务流程
- 根据流动条件估算摩擦速度，按所用壁面处理确定第一层网格厚度。
- 用blockMesh生成背景网格（或整体网格），按计算值设置网格比。
- 用snappyHexMesh加密表面和重要区域，确定边界层层数和厚度。
- 用checkMesh检查非正交性、偏斜度和负体积，修正问题部位。
- 求解后确认y+分布，并改变两级网格确认结果不变。
“一个70度非正交的网格”
checkMesh的输出中常常只有几个网格的最大非正交性超过70度。几个而已容易被忽视，但压力方程的收敛会被这些少数网格拖累，往往成为发散的起点。可以增加fvSolution中的nNonOrthogonalCorrectors来修正，但根本办法是修好这些网格。用checkMesh -allGeometry -allTopology把问题网格输出为集合（cellSet），在ParaView中查看位置，就能很快知道是哪个形状或哪个设置造成的。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 第一层网格在缓冲层 | 摩擦和传热误差 | 使y+≈1或≥30 |
| 不检查y+ | 壁面处理与网格不匹配 | 用yPlus输出分布 |
| 边界层局部缺失 | 局部y+偏大 | 调整层设置和质量约束 |
| 放任非正交网格 | 压力不收敛 | 用cellSet定位并修正 |
| STL有孔洞或重叠 | 内外混淆 | 用surfaceCheck检查 |
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常见问题
OpenFOAM的网格怎么生成？
简单形状用blockMesh拼接六面体块生成；复杂形状先用blockMesh生成背景网格，再用snappyHexMesh按STL形状切削、加密并在壁面添加边界层。也可以用gmshToFoam或fluentMeshToFoam转换Gmsh、ANSYS Meshing等外部工具生成的网格。最后用checkMesh检查质量。
壁面第一层网格的尺寸怎么确定？
根据所用湍流模型的壁面处理方式确定y+（壁面距离除以黏性长度）。解析到壁面时y+≈1，使用壁函数时y+约30〜300。高50 mm流道、空气10 m/s的例子中黏性长度约29 µm，y+≈1需要第一层网格约58 µm（网格中心约29 µm）。
snappyHexMesh的边界层加不好。
沿几何体挤出的空间不够时，边界层会在局部被省略。检查layers设置（层数、expansionRatio、finalLayerThickness）和质量约束（meshQualityControls），先减少层数看能否覆盖所有表面。最终各面加了几层，用日志或checkMesh的输出确认。
参考资料与检验范围
所列数值是基于文中假设的教学参考计算。资料用于理论和设置参考，不证明已在各软件中复现这些数值。工程决策须按实际条件验证。