概述

本教程提供使用网格剖分，三维边界层的详细配置方法。

功能描述

通过在流体靠近物体表面的区域内更密集地划分网格，以更好地捕捉流体速度剖面的变化，以及流体粘性效应的影响。
输入：选定的表面网格（三角形/四边形/混合网格）；输出：边界层网格（棱柱/六面体）。

step 模型说明

以一个简单的 box 的 cad 模型为例，其面编号如下图所示，该模型将用于本教程中。

基本 Json 模板

以下是最基本的 Json 配置，更多复杂配置请看复杂 Json 模板。

{
    "Distribution": [],
    "BoundaryLayer":[
   {
      "DistributionType": "Separation",
      "EntityType": "Face",
      "FSPairs": 
      [
        {
          "F": 1,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 2,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 3,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 4,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 5,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 6,
          "S": 1
        }
      ],
      "Basic":
      {
        "InitLayerHeight":
        {
          "Absolute": 0.1
        },
        "GrowthRate": 
        {
          "Constant": 1.1
        },
        "NLayers": 3,
        "ProblematicAreasTreatment": "STOP"
      }
   }
    ],
    "MeshSize": [
    {
      "CurvatureFactor": 0.2,
      "GrowthRate": 1.1,
      "MaxSize": 1,
      "MinSize": 0.1,
      "MeshingDim": 2,
      "SelectedEntities": []
    },
    {
      "CurvatureFactor": 0.2,
      "GrowthRate": 1.1,
      "MaxSize": 1,
      "MinSize": 0.1,
      "MeshingDim": 3,
      "SelectedEntities": []
    }
  ],
    "ThreadNum": 1
}

类	键	是否必需	取值范围	默认值	备注
BoundaryLayer	EntityType	是	[Face, Edge]	—
BoundaryLayer	EFPairs/SelectedEntities	是		—
BoundaryLayer-Basic	GrowthRate	是	"Constant"、"Variable" [1.0，2.0]	—	增长率不变："Constant"，其值为固定值，即每层的固定增长率增长率变化："Variable"，其值为数组，即每层的变化增长率
BoundaryLayer-Basic	InitLayerHeight	是	Absolute：[eps,MaxSize] Aspect：[eps,1]	—	绝对模式："Absolute"，初始层高恒定不变 Aspect模式："Aspect"，初始层高为乘以局部表面网格长度的因子
BoundaryLayer-Basic	NLayers	是	[1，inf]	—
BoundaryLayer-Basic	ProblematicAreasTreatment	是	STOP、COLLAPSE、EXCLUDE	—	问题区域处理方式： STOP：没有按照预计参数进行时，停止生成 COLLAPSE：允许某些局部区域的折叠，从而导致边界层生成时的交叉、接近或质量问题 EXCLUDE：允许排除某些局部区域，导致交叉，接近或质量问题的边界层的生成

通过该基本 Json 模板，结果如下图所示：

基本配置说明

EntityType & EFPairs

"EntityType": "Face",
"FSPairs": 
      [
        {
          "F": 1,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 2,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 3,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 4,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 5,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 6,
          "S": 1
        }
      ]

在某个 solid 内，从 solid 的一些边界 face 向 solid 内部生长的边界层。
"EntityType": "Face"，表示从 face 向 solid 生成 3d 边界层。指定从 XX face 向 XX solid 生长。该示例表示，从 face（tag=1,2,3,4,5,6）向 solid（tag=1）生长。注意：face 应该是 solid 的边界边。

基础参数设置

"Basic":
      {
        "InitLayerHeight":
        {
          "Absolute": 0.1 // Absolute, Aspect
        },
        "GrowthRate": 
        {
          "Constant": 1.1 // Constant, Variable
        },
        "NLayers": 3,
        "ProblematicAreasTreatment": "STOP" // STOP, COLLAPSE, EXCLUDE
      }

InitLayerHeight

初始层高分为 Absolute 模式和 Aspect 模式。Absolute 模式表示：每个节点高度固定不变（相对于 Aspect 模式来说），即不会随着局部表面网格尺寸不同而不同，值为初始层的高度；Aspect 模式表示：每个节点高度可能会变，通过乘以局部表面网格尺寸来定义第一层高度，值为局部表面网格长度的因子。

"Absolute": 0.1

现在将初始层高设置为 Aspect 模式，由于表面网格尺寸设置为 1，所以此时第一层高度为 1 * 0.1 = 0.1，理论上和上述绝对模式高度设置 0.1 的结果是非常相似的，事实也如此，如下图所示：

"Aspect": 0.1

GrowthRate

常量增长率，每一层的生长速率因子相同（下一层比上一层）。

"Constant": 1.1 // 取值范围：[1,2]

变量增长率，从第二层开始，每一层增长率独立（注意，第一层增长率恒为 0，且与层数匹配）。

"Variable":[0,1,2] // 从第二层开始，取值范围：[1,2]

NLayers

NLayers：需要生成边界层的层数。

"NLayers": 3, // 取值范围：[1,inf]

ProblematicAreasTreatment

如果由于局部几何特征而无法生长层，或者因为没有足够的空间来生长所要求的所有层，所采用的方法。

1.当边界层的生成没有按照预计参数进行时（遇到问题时），停止生成。

"ProblematicAreasTreatment": "STOP"

2.允许某些局部区域的折叠来克服交叉、接近或质量问题。

"ProblematicAreasTreatment": "COLLAPSE"

3.允许排除某些局部区域来克服交叉、接近或质量问题。

"ProblematicAreasTreatment": "EXCLUDE"

复杂 Json 模板

{
    "Distribution": [],
    "BoundaryLayer":[
   {
      "DistributionType": "Separation",
      "EntityType": "Face",
      "FSPairs": 
      [
        {
          "F": 1,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 2,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 3,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 4,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 5,
          "S": 1
        },
        {
          "F": 6,
          "S": 1
        }
      ],
      "Basic":
      {
        "InitLayerHeight":
        {
          "Absolute": 0.1
        },
        "GrowthRate": 
        {
          "Constant": 1.1
        },
        "NLayers": 3,
        "AdditionalOuterLayers": 3,
        "LastAspect": 0.6,
        "ProblematicAreasTreatment": "COLLAPSE",
        "FailureRetainValidLayers": false,
        "MaxNumberOfConsecutiveCollapsedLayers": [true,1]
      },
      "SideTreatment":
      {
        "AutoConnectAngleLimit": true,
        "ConnectLimitAngle": 60
      },
      "VectorTreatment":
      {
        "SmoothTopCapShellMesh": true,
        "SmoothVectors": [true,60]
      },
       "GrowthControls":
      {
        "MaxTopFacetEquiareaSkewness": [true,0.95],
        "MaxTopFacetWarping": false,
        "MaxLayerAspect": false,
        "MaxAllowedAspectProceed": false
      }
   }
    ],
    "MeshSize": [
    {
      "CurvatureFactor": 0.2,
      "GrowthRate": 1.1,
      "MaxSize": 1,
      "MinSize": 0.1,
      "MeshingDim": 2,
      "SelectedEntities": []
    },
    {
      "CurvatureFactor": 0.2,
      "GrowthRate": 1.1,
      "MaxSize": 1,
      "MinSize": 0.1,
      "MeshingDim": 3,
      "SelectedEntities": []
    }
  ],
    "ThreadNum": 1
}

类	键	是否必需	取值范围	默认值	备注
BoundaryLayer-Basic	AdditionalOuterLayers	否	[0, inf]	0	额外层数，使得最后一层边界层与附近的单元尺寸匹配
BoundaryLayer-Basic	LastAspect	否	[eps, 1]	0	额外层数非零值激活，最后一层宽高比
BoundaryLayer-Basic	FailureRetainValidLayers	否	true、false	false	仅当为"STOP"激活时才有效，表示是否失败时保留有效边界层
BoundaryLayer-Basic	MaxNumberOfConsecutiveCollapsedLayers	否	true, [1,inf] false	false	仅当为"COLLAPSE"激活时才有效，表示最大连续折叠层数
BoundaryLayer-SideTreatment	AutoConnectAngleLimit	否	true、false	false	表示是否激活将边界层自动与临近面网格连接
BoundaryLayer-SideTreatment	ConnectLimitAngle	否	[0,90]	60	边界层与临近面网格之间的最大允许角度
BoundaryLayer-VectorTreatment	SmoothTopCapShellMesh	否	true、false	true	允许矢量从其原始法线位置移动；否则以正交方式生长
BoundaryLayer-VectorTreatment	SmoothVectors	否	True, [0,180] false	[true,90]	与初始位置的最大允许角度偏差
BoundaryLayer-GrowthControls	MaxTopFacetEquiarealSkewness	否	true, [1,0] false	false	顶部三角形面网格最大等面积扭曲度，如果激活，当顶部三角形面网格最大等面积扭曲度超过设定阈值时，将停止边界层生长
BoundaryLayer-GrowthControls	MaxTopFacetWarping	否	true,[inf,0] false	false	顶部四边形面网格最大翘曲值，如果激活，当顶部四边形面网格最大翘曲值超过设定阈值时，将停止边界层生长
BoundaryLayer-GrowthControls	MaxLayerAspect	否	true,[eps,inf] false	false	最大宽高比
BoundaryLayer-GrowthControls	MaxAllowedAspectProceed	否	true,"LocalCollapse"、"ConstantHeight" false	false	当达到允许的最大层宽高比时，ConstantHeight-达到阈值后保持恒定高度；LocalCollapse-达到阈值后局部坍缩层（需要激活"COLLAPSE"）

通过该复杂 Json 模板，结果如下图所示：

复杂配置说明

基础参数设置

"Basic":
  {
    "InitLayerHeight":
    {
      "Absolute": 0.1 // "Absolute": xx/"Aspect": xx
    },
    "GrowthRate": 
    {
      "Constant": 1.1 // "Constant": xx/"Variable":[xx,...,xx]
    },
    "NLayers": 3,
    "AdditionalOuterLayers": 3,
    "LastAspect": 0.6,
    "ProblematicAreasTreatment": "COLLAPSE", // STOP/COLLAPSE/EXCLUDE
    "FailureRetainValidLayers": false, // true/false
    "MaxNumberOfConsecutiveCollapsedLayers": [true,1] // [true,value]/false
  }

AdditionalOuterLayers

AdditionalOuterLayers：额外添加的边界层数量，使得最后一层边界层与附近的三角形单元尺寸匹配，如果最后一层边界层尺寸大于附近的三角形单元尺寸，即使设置该参数，也会默认为 0。

"AdditionalOuterLayers": 3, // 取值范围：[0,inf]，默认值为 0

LastAspect

LastAspect：最后一层高宽比，当 AdditionalOuterLayers 不为 0 时才能设置该参数。

"LastAspect": 0.6, // 取值范围：[eps,1]，默认值为 0

侧面处理选项

"SideTreatment":
     {
       "AutoConnectAngleLimit": true, // true/false
       "ConnectLimitAngle": 60 // [0,90]
     }

AutoConnectAngleLimit，ConnectLimitAngle

激活该功能，边界层自动与临近面网格连接，且面网格自动重建（与体网格连接区域的面网格，在大小、节点位置与体网格表面一致；非连接区域面网格类型保持不变，且临近边界层外层的面网格会局部重建），且需指定边界层与临近面网格之间的最大允许角度，以便进行调整和连接。

注：投影面暂时不能为四边形类型。

"AutoConnectAngleLimit": true,

"ConnectLimitAngle": 60

如下图所示，修改 FSPairs ，仅设置面 6，此时面 6 与临近面 1、2、3 和 4 之间的连接角度为 0 度，当激活该选项时，边界层将与这些面连接，且这些面会自动重建。

"FSPairs": 
      [
        {
          "F": 6,
          "S": 1
        }
      ]

若不激活该功能，边界层将不与临近面网格连接。

"AutoConnectAngleLimit": false

对于该案例，如果不激活该选项，可能会导致生成失败。

矢量处理选项

"VectorTreatment":
     {
       "SmoothTopCapShellMesh": true, // 取值范围：{false,true}
       "SmoothVectors": [true,90], // 取值范围：{false,[true,[0,180°]]}，默认值为[true,90]
     }

SmoothTopCapShellMesh

如果激活该选项，允许矢量从其原始法线位置移动；如果不激活，则层以正交方式生长。允许这个操作可以生成更多层，因为网格在封闭区域“打开”得更多，但是可能导致质量较差（较少正交）的网格。

SmoothVectors

如果激活该选项，则用户指定与原始正常位置的最大允许角度偏差，允许这个操作可以生成更多层，因为网格在封闭区域“打开”得更多，但是可能导致质量较差（较少正交）的网格。

增长控制

"GrowthControls":
  {
    "MaxTopFacetEquiareaSkewness": [true,0.95], // 对三角形面网格, [true,quality]/false
    "MaxTopFacetWarping": false, // 对四边形面网格, [true,quality]/false
    "MaxLayerAspect": false, // [true,value]/false
    "MaxAllowedAspectProceed": false // [true,string]/false
  }

MaxTopFacetEquiareaSkewness，MaxTopFacetWarping

当边界层从非平坦起始表面生长时，顶部面网格可能出现严重扭曲的单元，导致后续生成的四面体质量不佳。
若启用 MaxTopFacetEquiareaSkewness 选项，当顶部三角形面网格单元扭曲度超过设定阈值时，将停止边界层生长。通常建议启用该选项并将阈值设置为 0.95 以上。
若启用 MaxTopFacetWarping 选项，当顶部四边形面网格单元翘曲值超过设定阈值时，将停止边界层生长。

MaxLayerAspect，MaxAllowedAspectProceed

在表面单元长度较小的区域使用绝对模式生长边界层时，有时会出现边界层过度生长的情况，这些层可能会变得异常高。通过指定最大层高宽比（层单元高度/层单元基底宽度），可确保层高保持在合理范围内。

当边界层高宽比达到该限值时:

ConstantHeight-达到阈值后保持恒定高度：当达到允许的最大层高宽比时，后续以恒定层高继续生长。
LocalCollapse-达到阈值后局部坍缩层：当达到允许的最大层高宽比时，立即停止该区域的层生长，在该区域塌陷（需要激活 COLLAPSE）。

点击这里example05可获得三维边界层详细 JSON 示例完整源码，大家根据学习需要自行下载。