在Fluent中，動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來模擬由于流域邊界運(yùn)動(dòng)引起流域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)情況，動(dòng)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(dòng)機(jī)中的氣缸運(yùn)動(dòng)、閥門的開啟與關(guān)閉、機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)、飛機(jī)投彈等等。

CFD中的動(dòng)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(shí)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(dòng)網(wǎng)格，這時(shí)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(dòng)網(wǎng)格涉及的內(nèi)容包括：

（1）運(yùn)動(dòng)的定義。主要是PROFILE文件與UDF中的動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)網(wǎng)格調(diào)試的主要目標(biāo)。在避免負(fù)網(wǎng)格的同時(shí)，努力提高運(yùn)動(dòng)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(dòng)

I、參數(shù)說明

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(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)最大距離為200mm。運(yùn)動(dòng)速度v=0.4t，這樣可能計(jì)算運(yùn)動(dòng)完200mm需要的時(shí)間為1s。采取5個(gè)時(shí)間數(shù)據(jù)點(diǎn)分別為：0，0.25，0.5，0.75，1s，相對(duì)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(shí)間變化點(diǎn)數(shù)，這里取5個(gè)點(diǎn)；time后所述為所取點(diǎn)的時(shí)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(gè)點(diǎn)組成速度與時(shí)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(dòng)，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(dòng)。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(dòng)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(dòng)網(wǎng)格。

在FLUENT中定義網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，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(cè)p182-p188。

II、  操作步驟

一、將計(jì)算域離散為網(wǎng)格

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(dòng)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(shí)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(dòng)網(wǎng)格中進(jìn)行設(shè)定。全局網(wǎng)格尺寸為2mm，運(yùn)動(dòng)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

二Fluent操作步驟

1

啟動(dòng)Fluent 14.5求解器

雙擊桌面上的Fluent圖標(biāo)，打開啟動(dòng)對(duì)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(dòng)Fluent 14.5。

圖4

2

 初始設(shè)置

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(dòng)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

3

選擇湍流模型

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

圖7

4

設(shè)置流體物性

選擇Materials面板中的air，打開材料設(shè)置對(duì)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(dòng)力黏度 0.01等壓比熱 4182導(dǎo)熱系數(shù) 0.6點(diǎn)擊Change/Create在彈出的對(duì)話框內(nèi)，點(diǎn)擊No;此項(xiàng)操作將使名為water的流體添加到材料選擇列表中，可以在材料列表內(nèi)查看到，同時(shí)保留系統(tǒng)默認(rèn)的流體air。

點(diǎn)擊Close

圖 8

5

 設(shè)置邊界條件

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(duì)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(duì)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(duì)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(chǔ)存成文本文檔text的形式。

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

圖10

未完待續(xù)……本文由 CAE技術(shù)聯(lián)盟 整合