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【視頻1：nFx前處理-HM】

【視頻2：nFx前處理-SimLab】

從本期開始，小汰將為大家詳細講解求解器的關鍵設置、前後處理中的小竅門、各種複雜運動的實現方式以及所有隱藏在求解器深處的高級選項。今天，我們先來聊一聊nanoFluidX的粒子類型。

這或許是大家最關心的問題。可能大家會不自覺地把傳統CFD求解器中需要設置的邊界條件和粒子類型等同起來，這樣的類比有助於我們理解粒子法求解器的設置，但也不完全正確。

我們先來回憶一下傳統CFD方法中是怎麼定義的。一般來說，網格法求解器會涉及到Surface和Volume的概念，在體網格中定義固體或流體的材料屬性，在面網格中定義入口、出口、壁面等邊界條件。然而，在粒子法求解器中，完全不存在面和體，只有粒子這一個定義物件。nanoFluidX把不同的粒子類型稱為phase，在每個phase的定義中，包含了上面提到的所有資訊。

具體來說，nanoFluidX中有四種不同的粒子類型:WALL，MOVINGWALL，FLUID和MASSFLOW。我們可以簡單地理解為：所有的流體粒子都屬於FLUID類型，所有的固定不動的固體粒子都屬於WALL，所有運動的固體粒子都屬於MOVINGWALL，而MASSFLOW是一類不參與計算、只進行流量統計的特殊粒子。聽完這一句話介紹，大家能否根據下面這張圖，把不同顏色的粒子分別對號入座呢？

答案揭曉：

空氣Air和油Oil粒子都屬於FLUID類型，一對齒輪Gear1和Gear2的粒子屬於MOVINGWALL類型，外殼Housing粒子屬於WALL類型。答對了嗎？

 一共3種粒子，我們卻用了5種顏色以示區分，那麼問題來了，同樣類型的粒子，需要分在不同的phase中嗎？或者說，分組的依據究竟是什麼？其實，最簡單的理解就是，需要設置不同參數的粒子，必須分在不同的phase中。這就需要我們對每種phase對應的參數有一定的瞭解了。

➡ 對於WALL來說，如果不涉及熱分析，那麼原則上我們可以都整理在一起；

➡ MOVINGWALL比較重要的是定義運動類型和運動規律，那麼運動規律不同的粒子就需要區別對待了。比如上圖中的齒輪對，轉動方向不同，因此要分在不同的phase中分別定義。如果是具有多個轉軸的複雜模型，那麼需要分成更多的phase；

➡ FLUID粒子最重要的定義項是物性參數，也就是我們通常講的密度和粘度，油和空氣的物性參數不同，因此也需要定義在不同的phase中。

理解了粒子的分組原則後，讓我們來看看不同種類的粒子在前處理中的注意事項了吧。首先是粒子間距，可能大家拿到模型後最迷茫的問題就是，粒子間距到底應該設置多大？

由於nanoFluidX目前的版本支持的是全計算域內採用等間距粒子的處理方式，所以這個參數就顯得尤為重要。如同傳統CFD方法，採用基於粒子法的求解器進行流體分析，也需要兼顧精度與效率。

如果精度優先，那麼我們需要考慮的是捕捉到模型中的最小特徵，但這樣的操作往往會造成粒子數量過於龐大的副作用；如果效率優先，那麼在模型簡化階段就應該考慮忽略一些對流場影響不大的小特徵，增大粒子間距，從而有效地控制計算模型的規模。

從粒子生成的角度來看，我們大致需要3種不同的生成方式，分別針對殼體、除殼體外的固體部件、流體。為什麼這麼區分呢？為了解釋得更清楚，我們需要複習一下SPH的基本理論。SPH演算法的核心是kernel function（核函數）的定義，nanoFluidX中採用的核函數是Quintic spline kernel（五次樣條核），具體的函數表達如下：

其中，q這個值可以理解為粒子的個數，也就是計算一個粒子的狀態需要關注它周圍的多少個粒子。如果仔細觀察一下這個分段函數，我們不難發現五次樣條核關注的影響粒子個數為3個。這就解釋了為什麼在生成固體壁面的粒子時，原則上我們只需要生成3層粒子。

我們來總結一下，FLUID粒子需要充滿流體域，也就是直接在識別出的流體域內生成粒子，並填滿整個空腔；固體粒子，無論是WALL還是MOVINGWALL，原則上都只起到定義壁麵條件的作用，考慮到上面解釋的核函數的特殊性，一般需要從流固交界面開始往固體內生成3層粒子。那麼，為什麼殼體需要區別對待呢？

這裡要強調一下，殼體作為計算域的邊界，其實我們並不關心它的複雜結構，對計算起到作用的，是直接和流體接觸的那層流固交界面，通常也被稱為濕表面。我們在做前處理的時候，就應該把濕表面提取出來，然後基於這層面，生成3層固體壁面粒子。與上面提到的其他固體部件不同之處在於，殼體由於只保留了最裡層的濕表面，所以在生成粒子時的方向是向外的。具體來說，不管使用的哪種前處理工具，HyperMesh和SimLab都有非常簡單的選項處理這類問題。

如果大家認真地按照我們提供的教程練習前處理的話，可能會有一個疑問。我們反復強調，壁面只要3層粒子就可以了，為什麼教程中讓我們生成4層粒子呢？

從理論上來說，3層粒子確實是足夠了。但此處說到的3層粒子的方向，指的是壁面法向，那麼如果是高級曲面的話，是否能保證壁面法向一定有3層粒子呢？大家看了下面這張圖就能明白其中的奧秘了。

SPH粒子的填充，是基於預先定義的全域坐標系的。我們從上面的圖中可以看到，在全域坐標系的各座標方向，確實都生成了3層粒子；但如果觀察這個曲面的法向，在某些曲率較大的區域，並不能滿足3層粒子的要求。因此，在實際的工程應用中，我們通常建議大家生成5層以上的壁面粒子，這樣能確保複雜曲面的法向也會有3層粒子。越是複雜的模型，越需要更多的層數來確保局部達到最低要求。

這個也是我們經常會被問到的問題。確實，工程項目中的實際模型不會像教程中的那麼簡單，前處理中不可避免會遇到這樣那樣的問題，而粒子干涉就是其中最常見的一類問題了。根據nanoFLuidX的特性，固體粒子如有局部的干涉或重疊，是可以接受的，但是固體粒子和流體粒子在初始狀態下不允許有任何形式的接觸。如何做到這一點呢？

前處理工具已經充分考慮到了這個需求，大家只要注意一下HyperMesh中的Wall Clearance或者SimLab中的Liquid gap和Gas gap這幾個參數就可以了。一般來說，如果粒子間距是1mm的話，這些參數填寫0.1mm即可。