封閉流體
關注創(chuàng)建者：琳泓comsol 創(chuàng)建時間：2020-08-13
封閉流體的實例教程
本教程介紹離心泵性能仿真前處理過程，借助Fluent Meshing 2020R1版本中的Fault-tolerant Meshing 工作流，讓離心泵計算域網格劃分變得簡單、高效；
一、SCDM模型處理
由Solidworks軟件對離心泵三維模型進行建模，主要包括蝸殼，帶有蓋板的葉輪兩部分；
模型導入SCDM中，創(chuàng)建輔助面，封閉葉輪和蝸殼，用于蝸殼和葉輪水體的抽取；
注，適當延長Caps生成線，避免由于旋轉造成模型的不封閉（軟件兼容問題）
注，把蝸殼模型和“caps”定義一個組件，作為一個“Object”，避免抽取流體域失敗（提示有漏洞）；葉輪模型通過選中葉輪出口邊線進行填充，“con”定義為單獨組件，用于創(chuàng)建“Construction Surface”，應用“Surface Mesh”；通過群組功能創(chuàng)建“Inlet”和“Outlet”邊界，用于模型封閉抽取流體域；
模型另存為“*fmd”格式；
二、Fluent Meshing網格劃分
1、啟動FM 2020R1，選擇“FTM”工作流，加載離心泵幾何模型；
2、模型描述；
封閉葉輪進口，蝸殼出口；創(chuàng)建“Construction Surface”；分別定義蝸殼材料點和葉輪材料點；
3、更新計算域（“Wrap”抽取蝸殼流體域，“Surface mesh”基于創(chuàng)建的“Construction Surface”抽取葉輪水體域）；
4、尺寸函數定義，“Curvature”尺寸函數定義；
“Proximity”尺寸函數定義；
限制“交界面”網格尺寸不超過20mm；
5、面網格生成；
6、添加兩層邊界層，填充體網格，體網格數約120萬；
三、Fluent MRF求解
旋轉域定義
展開 本教程介紹離心泵性能仿真前處理過程，借助Fluent Meshing 2020R1版本中的Fault-tolerant Meshing 工作流，讓離心泵計算域網格劃分變得簡單、高效；
一、SCDM模型處理
由Solidworks軟件對離心泵三維模型進行建模，主要包括蝸殼，帶有蓋板的葉輪兩部分；
模型導入SCDM中，創(chuàng)建輔助面，封閉葉輪和蝸殼，用于蝸殼和葉輪水體的抽取；
注，適當延長Caps生成線，避免由于旋轉造成模型的不封閉（軟件兼容問題）
注，把蝸殼模型和“caps”定義一個組件，作為一個“Object”，避免抽取流體域失敗（提示有漏洞）；葉輪模型通過選中葉輪出口邊線進行填充，“con”定義為單獨組件，用于創(chuàng)建“Construction Surface”，應用“Surface Mesh”；通過群組功能創(chuàng)建“Inlet”和“Outlet”邊界，用于模型封閉抽取流體域；
模型另存為“*fmd”格式；
二、Fluent Meshing網格劃分
1、啟動FM 2020R1，選擇“FTM”工作流，加載離心泵幾何模型；
2、模型描述；
封閉葉輪進口，蝸殼出口；創(chuàng)建“Construction Surface”；分別定義蝸殼材料點和葉輪材料點；
3、更新計算域（“Wrap”抽取蝸殼流體域
展開 下面從流體傳動的角度來領略“胸口碎大石”的神奇。
原理解釋
對“胸口碎大石”的科學解釋有很多，其中比較典型的有兩種：慣性效應和帕斯卡效應，本文則從空氣彈簧效應角度進行解釋。
慣性效應
由于石塊質量很大，錘子很快砸下去時，慣性作用使得石塊的加速度很小，從而對人不會產生很大沖擊。該過程可通過牛頓第二定律理解：
當錘子作用在石塊上的沖擊力F一定，石塊質量m越大，石塊產生的加速度a越小，給人體帶來的沖擊也越小，從而使人不受傷害。
帕斯卡效應
采用的石塊形狀一般為規(guī)整的長方體，其與人體接觸的面積很大，由帕斯卡的壓強公式：
可知：當力F一定，由于人與石塊接觸面積A很大，故作用在人體上的壓強P很小，即石塊與人體接觸的大面積會將錘子作用在石塊上的沖擊強度分散掉，進而使人受到的損傷大大減弱。
本文則從流體傳動中“流體彈簧效應”的角度來分析“胸口碎大石”的原理。
空氣彈簧效應
以封閉流體腔為例，假定流體為可壓縮性的，在一定頻率范圍內（高頻或高速沖擊），流體腔對外力的響應特性中反映出一種“流體彈簧”的存在，即流體具有了類似于彈簧的屬性，這種彈簧稱為“流體彈簧”。
所形成“流體彈簧”的剛度是被壓縮流體所產生的復位力與活塞的位移的比值，可理解為流體傳動中的“胡克定律”（F=k·△x）。流體彈簧剛度k的公式定義為：
其中，V為流體腔體積，β為流體彈性模量（可視為定值），A為活塞有效作用面積（可視為定值）。
然而，值得注意的是：“流體彈簧”只有在滿足一定激振頻率或沖擊的條件下才會形成，在平穩(wěn)壓縮或拉伸時“流體彈簧”是不存在的。
展開 scFLOW開發(fā)的高效Voxel Fitting 技術可直接針對實體CAD劃分網格，跳出模型修復，生成封閉流體區(qū)域，手動進行面注冊，而后進行網格劃分的復雜過程。此技術對于如馬達這類具有數目龐大且?guī)缀螐碗s構件的問題，具有高度的應用價值，本文將利用此技術進行真實電動車動力馬達解析。除馬達本體外，馬達動力輸出所連接的齒輪組，也將同時納入解析，完整考慮運作狀況下，齒輪組的溫度狀況，協助判斷潤滑條件與可能的熱變形對齒輪接合影響。因此，除Voxel Fitting網格生成技術，也將應用scFLOW的動態(tài)旋轉不連續(xù)網格與多相流分析。
本文分析標的外觀如下圖：
圖1-1.電動車動力馬達組CAD
移去殼體后，內部結構如下圖所示：
圖1-2.內部結構CAD示意圖
大致可分為齒輪組、馬達本體、與馬達的水冷管道。齒輪組除齒輪外，同時包含軸與軸承，全部將一起生成網格并分析。在傳統(tǒng)做法上，限于復雜的幾何處理，通常都切除此部分，只分析馬達單體，不易了解齒輪于馬達運作下的溫度場。
圖1-3. 齒輪與軸承組CAD
在馬達本體分析上，傳統(tǒng)最難以處理的是數量龐大且?guī)缀尉毜木€圈部分。
展開 三、流場計算
（1）流體域建模
導入幾何模型至Hypermesh
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編輯
提取管道內表面與凸起物體的外表面，并將管道兩頭封堵上，并修復拓補關系，形成一個封閉的流體域空間，將管道的一端作為流體的入口，另一端作為出口，如下圖所示。
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編輯
將各個面根據其邊界條件類型的不同組織分布到不同的component里面，并按照類型進行命名，wall類型邊界條件則將component的命名以wall為起始，入口類型邊界條件以inflow為命名起始，出口類型邊界條件以outflow為命名起始，流體網格則以fluid為命名起始，固體網格則以solid為起始，如下圖。按照這種規(guī)則命名導入Fluent后邊界條件類型可以被自動識別，只需調整其參數即可。
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編輯
用2d>automesh命令將邊界面劃分網格，將需要關注的凸起位置的網格細化，管道壁則可以用稍粗的網格，減少計算量。
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編輯
使用3d>CFD tetramesh命令進行流體網格劃分,，選擇需要做邊界層的comp和不需要做邊界層的comp，兩種comp需要能構成完整封閉的空間才能生成實體流體域網格：
?編輯
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流體網格生成完畢，可查看其內部實體網格：
?
編輯
新建一個以fluid為起始命名的comp，將剛才生成的實體的四面體流體網格移動到該comp內，完成后的comp如下：
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編輯
（2）導出網格
到這一步網格已經做好了，現在將該網格模型導入Fluent。
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ABAQUS三維輪胎充氣滾動案例11個月前
參考點作為流體腔關聯的腔體參考節(jié)點，用于標識流體腔。完全封閉表面用于指定流體腔邊界，其表面法線指向流體腔內部。流體腔定義如圖5所示，P2即為所選參考點，表面選擇輪胎內表面。
圖5流體腔表面與參考點定義
3 滾動設置
在輪胎下方放置一平面，平面與輪胎最低點距離應大于充氣后輪胎底部膨脹位移，平面與輪胎間摩擦力為0.05。
三、流場計算
（1）流體域建模
導入幾何模型至Hypermesh
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編輯
提取管道內表面與凸起物體的外表面，并將管道兩頭封堵上，并修復拓補關系，形成一個封閉的流體域空間，將管道的一端作為流體的入口，另一端作為出口，如下圖所示。
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如下圖所示：
圖 5 快速修復屬性面板
4) 執(zhí)行【幾何】 →【修復】 →【識別體】功能，軟件會基于面自動識別出對應的體區(qū)域，將之前生成的入口和出口面封閉成流體域：
圖 6 識別體前（左）后（右）的模型樹示意
5) 在模型樹節(jié)點中點擊相應的體節(jié)點，可獲得視圖區(qū)幾何體高亮。
A模型是封閉區(qū)域，流體域在空腔區(qū)域內運動；B模型是開放區(qū)域。
2). A模型存在初始液面位置，也就是說區(qū)域內本來就有液體；B模型初始區(qū)域內沒有流體。
3). A模型流體總數不變，沒有與外界流體的量的交換，不需要出入口。B模型設置了入口，因此區(qū)域內的流體總量是增加的。
當流體流經封閉的障礙物管時，在障礙物管和主管道連接處由于慣性、流體內摩擦力、邊界層脫落效應的耦合疊加而產生漩渦脫落，其形成的管內噪聲是管道聲致振動疲勞損傷的重要原因。本技術貼從典型的漩渦脫落管內噪聲為例，介紹管內流動噪聲的計算方法。
避免由于旋轉造成模型的不封閉（軟件兼容問題）
注，把蝸殼模型和“caps”定義一個組件，作為一個“Object”，避免抽取流體域失敗（提示有漏洞）；葉輪模型通過選中葉輪出口邊線進行填充，“con”定義為單獨組件，用于創(chuàng)建“Construction Surface”，應用“Surface Mesh”；通過群組功能創(chuàng)建“Inlet”和“Outlet”邊界，用于模型封閉抽取流體域
注，適當延長Caps生成線，避免由于旋轉造成模型的不封閉（軟件兼容問題）
注，把蝸殼模型和“caps”定義一個組件，作為一個“Object”，避免抽取流體域失敗（提示有漏洞）；葉輪模型通過選中葉輪出口邊線進行填充，“con”定義為單獨組件，用于創(chuàng)建“Construction Surface”，應用“Surface Mesh”；通過群組功能創(chuàng)建“Inlet”和“Outlet”邊界，用于模型封閉抽取流體域
scFLOW開發(fā)的高效Voxel Fitting 技術可直接針對實體CAD劃分網格，跳出模型修復，生成封閉流體區(qū)域，手動進行面注冊，而后進行網格劃分的復雜過程。此技術對于如馬達這類具有數目龐大且?guī)缀螐碗s構件的問題，具有高度的應用價值，本文將利用此技術進行真實電動車動力馬達解析。
通過添加進口段和出口段，形成封閉的流體計算域，風扇通過滑移網格模擬，旋轉區(qū)域和固定區(qū)域之間通過Interface連接。
2、設置流程
3、固體域設置
1）網格采用定向網格（Directed Mesh）劃分，生成楔形網格，并采用高階單元。
