在Fluent中,动网格模型可以用来模拟由于流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动情况,动网格在求解过程中计算网格要重构,例如汽车发动机中的气缸运动、阀门的开启与关闭、机翼的运动、飞机投弹等等。 CFD中的动网格大体分为两类: (1)显式规定的网格节点速度。配合瞬态时间,即可很方便的得出位移。当然一些求解器(如FLUENT)也支持稳态动网格,这时候可以直接指定节点位移。 (2)网格节点速度是通过求解得到的。如6DOF模型基本上都属于此类。用户将力换算成加速度,然后将其积分成速度。 在Fluent中,动网格涉及的内容包括: (1)运动的定义。主要是PROFILE文件与UDF中的动网格宏。 (2)网格更新。FLUENT中关于网格更新方法有三种:网格光顺、动态层、网格重构。需要详细了解这些网格更新方法的运作机理,每个参数所代表的具体含义及设置方法,每种方法的适用范围。 动网格的最在挑战来自于网格更新后的质量,避免负体积是动网格调试的主要目标。在避免负网格的同时,努力提高运动更新后的网格质量。 拉格朗日网格(固体有限元计算) 网格 欧拉网格(流体计算) 实例:Profile定义运动 I、参数说明 本次实例采用的场景来自于流体中高速飞行的物体。如子弹、火箭、导弹等。这里只是为了说明profile在动网格运动定义中的应用,因此为了计算方便不考虑高速问题。问题描述如下图所示: 图 1 (1为运动刚体,2为计算域) 图2 计算说明:由于不考虑也没办法考虑刚体的变形,因此在构建面域的时候,将1中的部分通过布尔运算去除。计算域总长度300mm,其中固体运动最大位移为: 300-40-30-6mm=224mm。 为了防止固体边界与计算域边界发生重叠,我们使运动最大距离为200mm。运动速度v=0.4t,这样可能计算运动完200mm需要的时间为1s。采取5个时间数据点分别为:0,0.25,0.5,0.75,1s,相对应的速度为:0,0.1,0.2,0.3,0.4 m/s。 profile文件如下: ((moveVelocity transient 5 0) (time 0 0.25 0.5 0.75 1) (v_x 0 0.1 0.2 0.3 0.4)) 解释:在记事本中按下列格式编写,保存为.txt文本即可。其中,moveVelocity为profile文件名,transient表示瞬态,5为表示所取速度及时间变化点数,这里取5个点;time后所述为所取点的时刻值;x后所述为所取点的x坐标;v_x为所取点的x向速度;所取的五个点组成速度与时间的线性关系,如图2所示。 注意:虽然瞬态profile文件可以在一定程度上定义网格运动,然而其存在着一些缺陷。最主要的一些缺陷存在于以下一些方面: (1)PROFILE无法精确的定义连续的运动。其使用离散的点值进行插值。如果想获得较为精确的运动定义,势必要定义很多点。 (2)一些情况下无法使用profile。比如稳态动网格。 在FLUENT中定义网格运动,更多的是采用UDF宏,此处不在详细叙述。详细实例可参阅FLUENT UDF手册p182-p188。 II、 操作步骤 一、将计算域离散为网格 在ICEM CFD中将计算域离散为网格,由于三角形网格非常适合于2D动网格,因此本例使用三角形网格。若要使用四边形网格,则需要进行滑移面处理。详细的说明将留待以后网格更新的时候进行。同样的,也不进行边界层处理。 简化问题描述,设定四周为wall壁面,中间区域为rigid wall(如图3所示),在动网格中进行设定。全局网格尺寸为2mm,运动边界网格尺寸1mm, 图3 parts 设置 网格单元总数为:19698 节点总数:9845 二Fluent操作步骤 1 启动Fluent 14.5求解器 双击桌面上的Fluent图标,打开启动对话框,如图4所示,选择选择2D求解器,勾选双精度选项,点击OK启动Fluent 14.5。 图4 2 初始设置 找到并选择网格msh文件,完成将网格文件输入Fluent的操作。检查并修改单位,点击General面板中的Scale确保使用的单位为mm,如下图所示。点击Check检查网格质量,注意Minimum Volume应大于0。 图5 设置求解器,由于在动网格的应用中,稳态情况比较少见,所以选择瞬态求解器,General中的其它选项采取默认设置,如下图所示。 图6 3 选择湍流模型 选择Models面板中的标准k-e湍流模型,如下图所示。 图7 4 设置流体物性 选择Materials面板中的air,打开材料设置对话框,如下图所示,将液体材料改为水,具体操作如下。 在Name栏内输入water。 在属性栏内输入流体的物理属性如下: 密度 1000 动力黏度 0.01 等压比热 4182 导热系数 0.6 点击Change/Create在弹出的对话框内,点击No;此项操作将使名为water的流体添加到材料选择列表中,可以在材料列表内查看到,同时保留系统默认的流体air。 点击Close 图 8 5 设置边界条件 设置工作流体为水,即设定Cell Zone Condition将默认域介质设定为water,具体操作如下。 在Zone栏内选择Edit,即编辑默认域设定,打开Fluid设置对话框,如下图所示。 在Materials Name下拉列表中选择water。 点击OK,关闭材料选择对话框。 图9 由于本例使用全封闭计算域,所有边界类型为wall,所以Boundary Condition采用默认设置即可。将编辑好的轮廓文件(profile)导入到Fluent中,具体操作如下。 单击选择Boundary Condition面板中的Profile选项,打开Profile设置对话框,如下图所示。 点击Read,在文件类型中选择All Files,选择profile文件储存成文本文档text的形式。 点击Apply,关闭Profile设置对话框。 图10 6 动网格设置 6.1 Mesh Methods(网格更新方法) 在Dynamic Mesh面板中找到Dynamic Mesh选项,并勾选激活动网格选项。勾选Mesh Methods目录下的Smoothing,Layering,Remeshing选项。各选项的参数设置分别如下图所示。 在Smoothing中,有两种网格光顺的方法,弹簧光顺与离散光顺两个模型。激活弹簧光顺模型,相关参数设置位于Smoothing(光顺)标签下,可以设置的参数包括Spring Constant Factor(弹簧弹性系数)、Laplace Node Relaxation(边界点松弛因子)、Convergence Tolerance(迭代精度)和Number of Iterations(迭代次数)。 弹簧常数因子:取值范围[0,1]。可以通过该值来调整弹簧刚度的大小。该值为0表示弹簧间没有阻尼,边界运动会影响到更多的内部节点。该参数的默认值为1。在实际应用中,若发现运动边界附近网格堆积严重,可适当调小此参数,将位移扩散出去。 边界点松弛因子:网格位置更新时使用的参数。