在Fluent中,動網(wǎng)格模型可以用來模擬由于流域邊界運(yùn)動引起流域形狀隨時間變化的流動情況,動網(wǎng)格在求解過程中計(jì)算網(wǎng)格要重構(gòu),例如汽車發(fā)動機(jī)中的氣缸運(yùn)動、閥門的開啟與關(guān)閉、機(jī)翼的運(yùn)動、飛機(jī)投彈等等。

CFD中的動網(wǎng)格大體分為兩類:

(1)顯式規(guī)定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度。配合瞬態(tài)時間,即可很方便的得出位移。當(dāng)然一些求解器(如FLUENT)也支持穩(wěn)態(tài)動網(wǎng)格,這時候可以直接指定節(jié)點(diǎn)位移。

(2)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度是通過求解得到的。如6DOF模型基本上都屬于此類。用戶將力換算成加速度,然后將其積分成速度。

在Fluent中,動網(wǎng)格涉及的內(nèi)容包括:

(1)運(yùn)動的定義。主要是PROFILE文件與UDF中的動網(wǎng)格宏。

(2)網(wǎng)格更新。FLUENT中關(guān)于網(wǎng)格更新方法有三種:網(wǎng)格光順、動態(tài)層、網(wǎng)格重構(gòu)。需要詳細(xì)了解這些網(wǎng)格更新方法的運(yùn)作機(jī)理,每個參數(shù)所代表的具體含義及設(shè)置方法,每種方法的適用范圍。

動網(wǎng)格的最在挑戰(zhàn)來自于網(wǎng)格更新后的質(zhì)量,避免負(fù)體積是動網(wǎng)格調(diào)試的主要目標(biāo)。在避免負(fù)網(wǎng)格的同時,努力提高運(yùn)動更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。

拉格朗日網(wǎng)格(固體有限元計(jì)算)

網(wǎng)格

歐拉網(wǎng)格(流體計(jì)算)

實(shí)例:Profile定義運(yùn)動

本次實(shí)例采用的場景來自于流體中高速飛行的物體。如子彈、火箭、導(dǎo)彈等。這里只是為了說明profile在動網(wǎng)格運(yùn)動定義中的應(yīng)用,因此為了計(jì)算方便不考慮高速問題。問題描述如下圖所示:

圖 1 (1為運(yùn)動剛體,2為計(jì)算域)

圖2

計(jì)算說明:由于不考慮也沒辦法考慮剛體的變形,因此在構(gòu)建面域的時候,將1中的部分通過布爾運(yùn)算去除。計(jì)算域總長度300mm,其中固體運(yùn)動最大位移為:

300-40-30-6mm=224mm。

為了防止固體邊界與計(jì)算域邊界發(fā)生重疊,我們使運(yùn)動最大距離為200mm。運(yùn)動速度v=0.4t,這樣可能計(jì)算運(yùn)動完200mm需要的時間為1s。采取5個時間數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為:0,0.25,0.5,0.75,1s,相對應(yīng)的速度為: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))

解釋:在記事本中按下列格式編寫,保存為.txt文本即可。其中,moveVelocity為profile文件名,transient表示瞬態(tài),5為表示所取速度及時間變化點(diǎn)數(shù),這里取5個點(diǎn);time后所述為所取點(diǎn)的時刻值;x后所述為所取點(diǎn)的x坐標(biāo);v_x為所取點(diǎn)的x向速度;所取的五個點(diǎn)組成速度與時間的線性關(guān)系,如圖2所示。

注意:雖然瞬態(tài)profile文件可以在一定程度上定義網(wǎng)格運(yùn)動,然而其存在著一些缺陷。最主要的一些缺陷存在于以下一些方面:

(1)PROFILE無法精確的定義連續(xù)的運(yùn)動。其使用離散的點(diǎn)值進(jìn)行插值。如果想獲得較為精確的運(yùn)動定義,勢必要定義很多點(diǎn)。

(2)一些情況下無法使用profile。比如穩(wěn)態(tài)動網(wǎng)格。

在FLUENT中定義網(wǎng)格運(yùn)動,更多的是采用UDF宏,此處不在詳細(xì)敘述。詳細(xì)實(shí)例可參閱FLUENT UDF手冊p182-p188。

在ICEM CFD中將計(jì)算域離散為網(wǎng)格,由于三角形網(wǎng)格非常適合于2D動網(wǎng)格,因此本例使用三角形網(wǎng)格。若要使用四邊形網(wǎng)格,則需要進(jìn)行滑移面處理。詳細(xì)的說明將留待以后網(wǎng)格更新的時候進(jìn)行。同樣的,也不進(jìn)行邊界層處理。

簡化問題描述,設(shè)定四周為wall壁面,中間區(qū)域?yàn)閞igid wall(如圖3所示),在動網(wǎng)格中進(jìn)行設(shè)定。全局網(wǎng)格尺寸為2mm,運(yùn)動邊界網(wǎng)格尺寸1mm,

圖3 parts 設(shè)置

網(wǎng)格單元總數(shù)為:19698

節(jié)點(diǎn)總數(shù):9845

雙擊桌面上的Fluent圖標(biāo),打開啟動對話框,如圖4所示,選擇選擇2D求解器,勾選雙精度選項(xiàng),點(diǎn)擊OK啟動Fluent 14.5。

圖4

找到并選擇網(wǎng)格msh文件,完成將網(wǎng)格文件輸入Fluent的操作。檢查并修改單位,點(diǎn)擊General面板中的Scale確保使用的單位為mm,如下圖所示。點(diǎn)擊Check檢查網(wǎng)格質(zhì)量,注意Minimum Volume應(yīng)大于0。

圖5

設(shè)置求解器,由于在動網(wǎng)格的應(yīng)用中,穩(wěn)態(tài)情況比較少見,所以選擇瞬態(tài)求解器,General中的其它選項(xiàng)采取默認(rèn)設(shè)置,如下圖所示。

圖6

選擇Models面板中的標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型,如下圖所示。

圖7

選擇Materials面板中的air,打開材料設(shè)置對話框,如下圖所示,將液體材料改為水,具體操作如下。

在Name欄內(nèi)輸入water。

在屬性欄內(nèi)輸入流體的物理屬性如下:

密度 1000

動力黏度 0.01

等壓比熱 4182

導(dǎo)熱系數(shù) 0.6

點(diǎn)擊Close

圖 8

設(shè)置工作流體為水,即設(shè)定Cell Zone Condition將默認(rèn)域介質(zhì)設(shè)定為water,具體操作如下。

在Zone欄內(nèi)選擇Edit,即編輯默認(rèn)域設(shè)定,打開Fluid設(shè)置對話框,如下圖所示。

在Materials Name下拉列表中選擇water。

點(diǎn)擊OK,關(guān)閉材料選擇對話框。

圖9

由于本例使用全封閉計(jì)算域,所有邊界類型為wall,所以Boundary Condition采用默認(rèn)設(shè)置即可。將編輯好的輪廓文件(profile)導(dǎo)入到Fluent中,具體操作如下。

單擊選擇Boundary Condition面板中的Profile選項(xiàng),打開Profile設(shè)置對話框,如下圖所示。

點(diǎn)擊Read,在文件類型中選擇All Files,選擇profile文件儲存成文本文檔text的形式。

點(diǎn)擊Apply,關(guān)閉Profile設(shè)置對話框。

圖10

6.1 Mesh Methods(網(wǎng)格更新方法)

在Dynamic Mesh面板中找到Dynamic Mesh選項(xiàng),并勾選激活動網(wǎng)格選項(xiàng)。勾選Mesh Methods目錄下的Smoothing,Layering,Remeshing選項(xiàng)。各選項(xiàng)的參數(shù)設(shè)置分別如下圖所示。

在Smoothing中,有兩種網(wǎng)格光順的方法,彈簧光順與離散光順兩個模型。激活彈簧光順模型,相關(guān)參數(shù)設(shè)置位于Smoothing(光順)標(biāo)簽下,可以設(shè)置的參數(shù)包括Spring Constant Factor(彈簧彈性系數(shù))、Laplace Node Relaxation(邊界點(diǎn)松弛因子)、Convergence Tolerance(迭代精度)和Number of Iterations(迭代次數(shù))。

彈簧常數(shù)因子:取值范圍[0,1]。可以通過該值來調(diào)整彈簧剛度的大小。該值為0表示彈簧間沒有阻尼,邊界運(yùn)動會影響到更多的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。該參數(shù)的默認(rèn)值為1。在實(shí)際應(yīng)用中,若發(fā)現(xiàn)運(yùn)動邊界附近網(wǎng)格堆積嚴(yán)重,可適當(dāng)調(diào)小此參數(shù),將位移擴(kuò)散出去。

邊界點(diǎn)松弛因子:網(wǎng)格位置更新時使用的參數(shù)。取值范圍[0,1]。0表示沒有進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)保持不變,1表示不使用松弛處理。該參數(shù)默認(rèn)為1。調(diào)整該參數(shù)可以控制每次網(wǎng)格更新的節(jié)點(diǎn)位置。通常使用默認(rèn)值即可。

迭代精度:網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移值是通過求解平衡方程得到的。本參數(shù)即控制方程的求解精度。一般保持默認(rèn)值。

迭代次數(shù):與迭代精度作用相同。用于平衡方程的求解控制。迭代方程如下。通常該參數(shù)保持默認(rèn)即可。

擴(kuò)散光順方法在此不作詳細(xì)敘述,只簡述其適應(yīng)的情況:能夠應(yīng)用于任何類型的運(yùn)動或變形網(wǎng)格;擴(kuò)散光順方法比彈簧光順計(jì)算開銷要大(隱式求解擴(kuò)散方程,而彈簧光順是顯式計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移),但是能夠得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量(特別是對于非四面體/非三角形網(wǎng)格及多面體網(wǎng)格);更適合于平移運(yùn)動;擴(kuò)散光順方法與邊界層光順方法及面區(qū)域重構(gòu)方法不兼容。

在Layering(動態(tài)層)標(biāo)簽下,可以設(shè)置與動態(tài)層模型相關(guān)的參數(shù)。Split Factor (分割因子)和Collapse Factor(合并因子)與Dynamic Mesh Zones中的Cell Height相關(guān),定義其乘積下的分割與合并屬性。

在Remeshing(重劃網(wǎng)格)標(biāo)簽下,設(shè)置與局部重劃模型相關(guān)的參數(shù)。ANSYS Fluent包含有很多種網(wǎng)格重構(gòu)方法,主要有以下幾種:局部單元重構(gòu)、局部區(qū)域重構(gòu)、局部面重構(gòu)(只用于3D)、面域重構(gòu)、cutcell域重構(gòu)(僅3D)以及2.5D面重構(gòu)(3D中)。網(wǎng)格重構(gòu)方法適合于以下網(wǎng)格類型:

(1)局部網(wǎng)格及局部面重構(gòu)方法只對區(qū)域中的三角形及四面體網(wǎng)格有效。(例如混合網(wǎng)格區(qū)域中,非三角形/四面體網(wǎng)格將會被忽略)

(2)區(qū)域重構(gòu)方法會將其它所有類型網(wǎng)格替換為三角形四面體網(wǎng)格(分別在2D及3D區(qū)域中),并且在3D邊界層中生成楔形、棱柱形網(wǎng)格。

(3)面域重構(gòu)方法在2D中只用于三角形網(wǎng)格,在3D模型中只用于四面體網(wǎng)格。并且在3D邊界層中能夠產(chǎn)生楔形/棱柱形網(wǎng)格。

(4)切割單元區(qū)域重構(gòu)方法能夠?qū)λ芯W(wǎng)格類型有效。

(5)2.5D重構(gòu)方法只在六面體網(wǎng)格或由三角形拉伸形成的楔形/棱柱型單元上有效。

可以設(shè)置的其他參數(shù)還包括Maximum Cell Skewness(最大畸變率)、Maximum Cell Volume(最大網(wǎng)格體積)和Minimum Cell Volume(最大網(wǎng)格體積),主要用于確定哪些網(wǎng)格需要被重新劃分。Mesh Scale Info用于設(shè)定時參考網(wǎng)格內(nèi)的參數(shù)。在缺省設(shè)置中,如果重新劃分的網(wǎng)格優(yōu)于原網(wǎng)格,則用新網(wǎng)格代替舊網(wǎng)格;否則,將保持原網(wǎng)格劃分不變。如果無論如何都要采用新網(wǎng)格的話,則可以在Options(選項(xiàng))下面選擇Must Improve Skewness(必須改善畸變率)選項(xiàng)。如果Options(選項(xiàng))下面的Size Function(尺寸函數(shù))被激活,則還可以用網(wǎng)格尺寸分布函數(shù)標(biāo)志需要重新劃分的網(wǎng)格。

對于3D模型,還包括in-cylinder、six-dof、Implicit Update三種選項(xiàng)。其中in-cyliner用于發(fā)動機(jī)氣缸模擬,six-dof主要用于流體作用于剛體,預(yù)測剛體運(yùn)動。implicit update用于設(shè)定網(wǎng)格更新方式。默認(rèn)采用顯式方式,勾選此選項(xiàng)可設(shè)定網(wǎng)格以隱式方式更新。

6.2 動態(tài)網(wǎng)格域

在Dynamic Mesh Zones中定義運(yùn)動區(qū)域,即定義中間剛體壁面為rigid body,具體操作如下。

點(diǎn)擊Create/Edit選項(xiàng),打開Dynamic Mesh Zones設(shè)置對話框,如下圖所示。

在Zone Names下選擇rigid wall,在Type中選擇Rigid Body。

在Meshing Options中,設(shè)置Cell Height中的值為1mm。

點(diǎn)擊Create,并關(guān)閉Dynamic Mesh Zones設(shè)置對話框。

圖11

此動態(tài)網(wǎng)格域用于定義網(wǎng)格運(yùn)動的區(qū)域及運(yùn)動類型。FLUENT中網(wǎng)格運(yùn)動類型主要有:靜止、剛體運(yùn)動、變形區(qū)域、用戶自定義域、耦合域(依次)。

靜止域在網(wǎng)格運(yùn)動過程中,區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)位置保持不變。雖然說默認(rèn)情況下不設(shè)定區(qū)域運(yùn)動,則該區(qū)域?yàn)殪o止,但是一些情況下還是需要顯式設(shè)定某些區(qū)域?yàn)殪o止域,尤其是在一些與剛體域相連的區(qū)域處理上。

剛體運(yùn)動域:這是fluent動網(wǎng)格中最常見的運(yùn)動類型。通過規(guī)定剛體的速度或位移來控制運(yùn)動。

變形域:由于邊界運(yùn)動導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)變形。變形域通常與剛體域是相連的。

自定義域:用戶可以使用UDF定義自己需要的域

耦合域:節(jié)點(diǎn)位移由耦合求解器計(jì)算,在流固耦合計(jì)算中,耦合面上通常設(shè)定為耦合域類型。

6.3 網(wǎng)格預(yù)覽

點(diǎn)擊Preview Mesh Motion可以設(shè)置預(yù)覽網(wǎng)格運(yùn)動,具體操作如下。

點(diǎn)擊Preview Mesh Motion選項(xiàng),打開設(shè)置對話框。

設(shè)置時間步長和步數(shù),具體設(shè)置如下圖所示。

設(shè)置完成后,點(diǎn)擊Preview。

圖 15

注意:在這一步中,需要提醒一下,使用動網(wǎng)格進(jìn)行正式計(jì)算之前,最好養(yǎng)成預(yù)覽動網(wǎng)格更新的習(xí)慣;就是在正式計(jì)算前,瀏覽一下動網(wǎng)格的更新情況,這樣可以避免在計(jì)算過程中出現(xiàn)動網(wǎng)格更新本身的問題。在預(yù)覽更新時,很多人都說會出現(xiàn)負(fù)體積的警告,更新不成功,出現(xiàn)這樣的問題時,最好先把時間步長改的更小點(diǎn)兒試試,一般來講,排除UDF本身的原因,出現(xiàn)更新出錯的原因都與時間步長有關(guān),這需要結(jié)合所使用的更新方法多琢磨。在預(yù)覽動網(wǎng)格前先保存動網(wǎng)格設(shè)置,預(yù)覽后將造成不可逆的計(jì)算結(jié)果。

對于非定常問題,推薦使用PISO算法。時間步長設(shè)置為0.01,計(jì)算步數(shù)設(shè)置為100。Solution面板中的設(shè)置此處不在詳細(xì)敘述。