6 lý do hàng đầu để chọn lưới cấu trúc trong CFD

Các thuật toán tự động có thể làm cho cuộc sống dễ dàng hơn nhưng các lưới mà chúng tạo ra thiếu các tính chất quan trọng.
CFDA là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của việc giải quyết vấn đề thông qua tính toán động lực học chất lỏng  (CFD), việc tạo lưới thích hợp là điều cần thiết cho một giải pháp chính xác, hội tụ nhanh hơn và giảm khuếch tán số.

Người ta có thể nghĩ rằng các lưới có cấu trúc gần như hoàn toàn dư thừa trong thế giới chia lưới không cấu trúc hoặc lai ngày nay, nhưng mọi thứ có thể không hoàn toàn như bạn nghĩ. Trong thực tế, cả hai loại lưới đảm bảo xem xét cẩn thận.

Tuy nhiên, trước khi xem xét ưu và nhược điểm của các mắt lưới có cấu trúc và không cấu trúc, điều quan trọng là phải hiểu ba loại lưới (có cấu trúc, không cấu trúc và lai) và chất lượng lưới quan trọng như thế nào để tạo ra giải pháp CFD tối ưu.

Phân loại lưới
Được xác định bằng kết nối thông thường, một lưới có cấu trúc có hai lựa chọn phần tử có thể: Tứ giác ở dạng 2D và hình lục giác ở dạng 3D. Mô hình này có hiệu quả không gian cao, vì các mối quan hệ lân cận được xác định bởi sự sắp xếp lưu trữ.

Một lưới không có cấu trúc được xác định bởi kết nối không thường xuyên. Nó không thể dễ dàng được thể hiện dưới dạng một mảng hai chiều hoặc ba chiều trong bộ nhớ máy tính. Các lưới này thường sử dụng các hình tam giác trong 2D và tứ diện trong 3D mặc dù hình tứ giác và hình lục giác cũng có thể có mặt.

Một lưới lai chứa hỗn hợp các phần có cấu trúc và không cấu trúc. Nó tích hợp các mắt lưới có cấu trúc và các mắt lưới không có cấu trúc một cách hiệu quả. Những phần của hình học thông thường có thể có lưới có cấu trúc và những phần phức tạp có thể có lưới không cấu trúc.

Bất kỳ loại lưới nào cuối cùng được thông qua, chất lượng của lưới đó đóng vai trò quan trọng trong phân tích tổng thể. Ví dụ, chất lượng lưới tốt hơn làm tăng tốc độ hội tụ. Các lưới hình thành kém tạo nhiều lỗi, làm tăng nỗ lực tính toán cần thiết cho sự hội tụ. Đối với các yếu tố đặc biệt ít, thứ tự số có thể được giảm cục bộ để thúc đẩy sự hội tụ và ổn định hoặc, thậm chí tệ hơn, giải pháp có thể không hội tụ hoàn toàn.

Ngoài ra, chất lượng lưới tốt hơn cũng dẫn đến một giải pháp chính xác hơn. Một ví dụ điển hình là khả năng tinh chỉnh lưới tại một số khu vực nhất định của hình học nơi độ dốc cao, do đó làm tăng độ trung thực của các giải pháp trong khu vực. Nếu một lưới không được tinh chỉnh đầy đủ, thì độ chính xác của giải pháp có thể bị giới hạn.

Trong khi một lưới chất lượng thường được mong muốn, thời gian CPU là một sự cân nhắc cần thiết. Đối với một lưới được tinh chỉnh cao, trong đó số lượng ô trên mỗi đơn vị diện tích là tối đa, thời gian CPU cần thiết sẽ tương đối lớn.

Cấu trúc vs Không cấu trúc / Lai
Trong lịch sử, các mắt lưới có cấu trúc được coi là ‘Norm”, nhưng các lưới không có cấu trúc đã trở nên phổ biến hơn nhiều về cuối. Điều này là do việc tạo lưới nhanh hơn, khả năng xử lý hình học phức tạp và thực tế là không yêu cầu kinh nghiệm tạo lưới đáng kể. Tuy nhiên, đây là sáu lý do tại sao bạn nên xem xét dành thời gian để tạo lưới có cấu trúc:

Mức độ chất lượng và kiểm soát cao: Đây được cho là một khu vực nơi các lưới có cấu trúc sẽ luôn xuất hiện. Các thuật toán chia lưới không cấu trúc và lai được tự động hóa cao, và kết quả là các kỹ sư phải hy sinh quyền kiểm soát. Với các lưới có cấu trúc, mức độ kiểm soát cao hơn có nghĩa là bạn có thể tạo được chính xác lưới bạn yêu cầu. Chia lưới có cấu trúc thường cho phép người dùng kiểm soát tốt hơn các vị trí và kích thước nút bên trong vì vị trí nút bên trong được liên kết trực tiếp với các nút bên ngoài do người dùng xác định.

Sắp xếp tốt hơn = Hội tụ tốt hơn: Nói một cách điển hình, các lưới có cấu trúc được căn chỉnh theo hướng dòng chảy dẫn đến kết quả chính xác hơn và hội tụ tốt hơn trong các bộ giải CFD. Sự liên kết trong một lưới có cấu trúc đạt được gần như hoàn toàn bởi vì các đường lưới và dòng chảy theo các đường viền của hình học, trong khi đó, không có sự liên kết nào như vậy trong một lưới không có cấu trúc.

Ít bộ nhớ và thời gian cần thiết: Các lưới không có cấu trúc đòi hỏi bộ nhớ tính toán lớn để lưu trữ các phần tử, nút và bảng kết nối để liên kết chúng. Mặt khác, lưới có cấu trúc không cần lưu trữ bất kỳ bảng kết nối nào vì lưới được xác định theo một mẫu xác định. Do đó, thời gian tính toán CFD cũng được giảm với các lưới có cấu trúc do số lượng đơn vị nút giảm.

Vấn đề dữ liệu cục bộ: Điểm này liên quan đến bố cục bộ nhớ. Nó có một mối quan tâm quan trọng đối với CFD đối với các kiến ​​trúc GPU song song ồ ạt, nơi thường băng thông bộ nhớ là giới hạn, trái ngược với sức mạnh tính toán. Trong các mắt lưới có cấu trúc, dữ liệu cho các phần tử gần với hình học cũng gần với bộ nhớ theo thiết kế. Kết quả là, ít bộ nhớ cache hơn có nghĩa là sử dụng băng thông bộ nhớ tốt hơn.

Các thuật toán giải pháp khả dụng: Dữ liệu có cấu trúc cho phép sử dụng các thuật toán giải pháp có thể được thực hiện trên dữ liệu phi cấu trúc. Một ví dụ là một thói quen TDMA sâu rộng, có thể rất có lợi để hội tụ trong các trường hợp nhất định.