Fluent動網(wǎng)格技術(shù)要點（筆記）

2016-09-21 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

題記:在學(xué)習(xí)使用Fluent的時候,有不少朋友需要使用動網(wǎng)格模型(Dynamic Mesh Model),因此,本版推出這個專題,進行大討論,使大家在使用動網(wǎng)格時盡量少走彎路,更快更好地掌握;也歡迎使用過的版友積極參與討論指導(dǎo),謝謝!

該專題主要包括以下的主要內(nèi)容:

##1.  動網(wǎng)格的相關(guān)知識介紹;
##2.  以NACA0012翼型俯仰振蕩實例進行講解動網(wǎng)格的應(yīng)用過程;
##3.  與動網(wǎng)格應(yīng)用有關(guān)的參考文獻;
##4.  使用動網(wǎng)格進行計算的一些例子。

##1. 動網(wǎng)格的相關(guān)知識介紹
有關(guān)動網(wǎng)格基礎(chǔ)方面的東西,請具體參考FLUENT User’s Guide或FLUENT全攻略的相關(guān)章節(jié),這里只給出一些提要性的知識要點。
1、簡介
動網(wǎng)格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可以是預(yù)先定義的運動,即可以在計算前指定其速度或角速度;也可以是預(yù)先未做定義的運動,即邊界的運動要由前一步的計算結(jié)果決定。網(wǎng)格的更新過程由FLUENT 根據(jù)每個迭代步中邊界的變化情況自動完成。在使用動網(wǎng)格模型時,必須首先定義初始網(wǎng)格、邊界運動的方式并指定參予運動的區(qū)域?？梢杂眠吔缧秃瘮?shù)或者UDF 定義邊界的運動方式。FLUENT 要求將運動的描述定義在網(wǎng)格面或網(wǎng)格區(qū)域上。如果流場中包含運動與不運動兩種區(qū)域,則需要將它們組合在初始網(wǎng)格中以對它們進行識別。那些由于周圍區(qū)域運動而發(fā)生變形的區(qū)域必須被組合到各自的初始網(wǎng)格區(qū)域中。不同區(qū)域之間的網(wǎng)格不必是正則的,可以在模型設(shè)置中用FLUENT軟件提供的非正則或者滑動界面功能將各區(qū)域連接起來。
注:一般來講,在Fluent中使用動網(wǎng)格,基本上都要使用到UDF,所以你最好具備一定的C語言編程基礎(chǔ)。

2、動網(wǎng)格更新方法
動網(wǎng)格計算中網(wǎng)格的動態(tài)變化過程可以用三種模型進行計算,即彈簧近似光滑模型(spring-based smoothing)、動態(tài)分層模型(dynamic layering)和局部重劃模型(local remeshing)。

彈簧近似光滑模型
在彈簧近似光滑模型中,網(wǎng)格的邊被理想化為節(jié)點間相互連接的彈簧。移動前的網(wǎng)格間距相當于邊界移動前由彈簧組成的系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。在網(wǎng)格邊界節(jié)點發(fā)生位移后,會產(chǎn)生與位移成比例的力,力量的大小根據(jù)胡克定律計算。邊界節(jié)點位移形成的力雖然破壞了彈簧系統(tǒng)原有的平衡,但是在外力作用下,彈簧系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)整將達到新的平衡,也就是說由彈簧連接在一起的節(jié)點,將在新的位置上重新獲得力的平衡。從網(wǎng)格劃分的角度說,從邊界節(jié)點的位移出發(fā),采用虎克定律,經(jīng)過迭代計算,最終可以得到使各節(jié)點上的合力等于零的、新的網(wǎng)格節(jié)點位置,這就是彈簧光順法的核心思想。
原則上彈簧光順模型可以用于任何一種網(wǎng)格體系,但是在非四面體網(wǎng)格區(qū)域(二維非三角形),最好在滿足下列條件時使用彈簧光順方法:
(1)移動為單方向。
(2)移動方向垂直于邊界。
如果兩個條件不滿足,可能使網(wǎng)格畸變率增大。另外,在系統(tǒng)缺省設(shè)置中,只有四面體網(wǎng)格(三維)和三角形網(wǎng)格(二維)可以使用彈簧光順法,如果想在其他網(wǎng)格類型中激活該模型,需要在dynamic-mesh-menu 下使用文字命令spring-on-all-shapes?,然后激活該選項即可。

動態(tài)層模型
對于棱柱型網(wǎng)格區(qū)域(六面體和或者楔形),可以應(yīng)用動態(tài)層模型。動態(tài)層模型的中心思想是根據(jù)緊鄰運動邊界網(wǎng)格層高度的變化,添加或者減少動態(tài)層,即在邊界發(fā)生運動時,如果緊鄰邊界的網(wǎng)格層高度增大到一定程度,就將其劃分為兩個網(wǎng)格層;如果網(wǎng)格層高度降低到一定程度,就將緊鄰邊界的兩個網(wǎng)格層合并為一個層:
如果網(wǎng)格層j擴大,單元高度的變化有一臨界值:
H_min>(1+alpha_s)*h_0
式中h_min為單元的最小高度,h_0為理想單元高度,alpha_s為層的分割因子。在滿足上述條件的情況下,就可以對網(wǎng)格單元進行分割,分割網(wǎng)格層可以用常值高度法或常值比例法。在使用常值高度法時,單元分割的結(jié)果是產(chǎn)生相同高度的網(wǎng)格。在采用常值比例法時,網(wǎng)格單元分割的結(jié)果是產(chǎn)生是比例為alpha_s的網(wǎng)格。
若對第j層進行壓縮,壓縮極限為:
H_min<alpha_c*h_0
式中alpha_c為合并因子。在緊鄰動邊界的網(wǎng)格層高度滿足這個條件時,則將這一層網(wǎng)格與
外面一層網(wǎng)格相合并。

動網(wǎng)格模型的應(yīng)用有如下限制:
(1)與運動邊界相鄰的網(wǎng)格必須為楔形或者六面體(二維四邊形)網(wǎng)格。
(2)在滑動網(wǎng)格交界面以外的區(qū)域,網(wǎng)格必須被單面網(wǎng)格區(qū)域包圍。
(3)如果網(wǎng)格周圍區(qū)域中有雙側(cè)壁面區(qū)域,則必須首先將壁面和陰影區(qū)分割開,再用
滑動交界面將二者耦合起來。
(4)如果動態(tài)網(wǎng)格附近包含周期性區(qū)域,則只能用FLUENT 的串行版求解,但是如果周期性區(qū)域被設(shè)置為周期性非正則交界面,則可以用FLUENT 的并行版求解。
如果移動邊界為內(nèi)部邊界,則邊界兩側(cè)的網(wǎng)格都將作為動態(tài)層參與計算。如果在壁面上只有一部分是運動邊界,其他部分保持靜止,則只需在運動邊界上應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù),但是動網(wǎng)格區(qū)與靜止網(wǎng)格區(qū)之間應(yīng)該用滑動網(wǎng)格交界面進行連接。

局部重劃模型
在使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的區(qū)域上一般采用彈簧光順模型進行動網(wǎng)格劃分,但是如果運動邊界的位移遠遠大于網(wǎng)格尺寸,則采用彈簧光順模型可能導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量下降,甚至出現(xiàn)體積為負值的網(wǎng)格,或因網(wǎng)格畸變過大導(dǎo)致計算不收斂。為了解決這個問題,FLUENT 在計算過程中將畸變率過大,或尺寸變化過于劇烈的網(wǎng)格集中在一起進行局部網(wǎng)格的重新劃分,如果重新劃分后的網(wǎng)格可以滿足畸變率要求和尺寸要求,則用新的網(wǎng)格代替原來的網(wǎng)格,如果新的網(wǎng)格仍然無法滿足要求,則放棄重新劃分的結(jié)果。
在重新劃分局部網(wǎng)格之前,首先要將需要重新劃分的網(wǎng)格識別出來。FLUENT 中識別不合乎要求網(wǎng)格的判據(jù)有二個,一個是網(wǎng)格畸變率,一個是網(wǎng)格尺寸,其中網(wǎng)格尺寸又分最大尺寸和最小尺寸。在計算過程中,如果一個網(wǎng)格的尺寸大于最大尺寸,或者小于最小尺寸,或者網(wǎng)格畸變率大于系統(tǒng)畸變率標準,則這個網(wǎng)格就被標志為需要重新劃分的網(wǎng)格。在遍歷所有動網(wǎng)格之后,再開始重新劃分的過程。局部重劃模型不僅可以調(diào)整體網(wǎng)格,也可以調(diào)整動邊界上的表面網(wǎng)格。
需要注意的是,局部重劃模型僅能用于四面體網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格。在定義了動邊界面以后,如果在動邊界面附近同時定義了局部重劃模型,則動邊界上的表面網(wǎng)格必須滿足下列條件:

(1)需要進行局部調(diào)整的表面網(wǎng)格是三角形(三維)或直線(二維)。
(2)將被重新劃分的面網(wǎng)格單元必須緊鄰動網(wǎng)格節(jié)點。
(3)表面網(wǎng)格單元必須處于同一個面上并構(gòu)成一個循環(huán)。
(4)被調(diào)整單元不能是對稱面(線)或正則周期性邊界的一部分。

動網(wǎng)格的實現(xiàn)在FLUENT 中是由系統(tǒng)自動完成的。如果在計算中設(shè)置了動邊界,則FLUENT 會根據(jù)動邊界附近的網(wǎng)格類型,自動選擇動網(wǎng)格計算模型。如果動邊界附近采用的是四面體網(wǎng)格(三維)或三角形網(wǎng)格(二維),則FLUENT 會自動選擇彈簧光順模型和局部重劃模型對網(wǎng)格進行調(diào)整。如果是棱柱型網(wǎng)格,則會自動選擇動態(tài)層模型進行網(wǎng)格調(diào)整。在靜止網(wǎng)格區(qū)域則不進行網(wǎng)格調(diào)整。
動網(wǎng)格問題中對于固體運動的描述,是以固體相對于重心的線速度和角速度為基本參數(shù)加以定義的。既可以用型函數(shù)定義固體的線速度和角速度,也可以用UDF 來定義這兩個參數(shù)。同時需要定義的是固體在初始時刻的位置。
注:這一小節(jié)主要講述了動網(wǎng)格的更新方法,最好能掌握,尤其是各種方法的適用范圍,通常來講,在一個case中,我們使用的更新方法都是根據(jù)網(wǎng)格類型以及和要實現(xiàn)的運動來選擇的,很多時候都是幾種更新方法搭配起來使用的。

總結(jié)一下:
使用彈簧近似光滑法網(wǎng)格拓撲始終不變,無需插值,保證了計算精度。但彈簧近似光滑法不適用于大變形情況,當計算區(qū)域變形較大時,變形后的網(wǎng)格會產(chǎn)生較大的傾斜變形,從而使網(wǎng)格質(zhì)量變差,嚴重影響計算精度。動態(tài)分層法在生成網(wǎng)格方面具有快速的優(yōu)勢,同時它的應(yīng)用也受到了一些限制。它要求運動邊界附近的網(wǎng)格為六面體或楔形,這對于復(fù)雜外形的流場區(qū)域是不適合的。使用局部網(wǎng)格重劃法要求網(wǎng)格為三角形(二維)或四面體(三維),這對于適應(yīng)復(fù)雜外形是有好處的,局部網(wǎng)格重劃法只會對運動邊界附近區(qū)域的網(wǎng)格起作用。

3、動網(wǎng)格問題的建立
設(shè)置動網(wǎng)格問題的步驟如下:
(1)在Solver(求解器)面板中選擇非定常流(unsteady)計算。
(2)設(shè)定邊界條件,即設(shè)定壁面運動速度。
(3)激活動網(wǎng)格模型,并設(shè)定相應(yīng)參數(shù),菜單操作如下:
Define -> Dynamic Mesh -> Parameters...
(4)指定移動網(wǎng)格區(qū)域的運動參數(shù),菜單操作如下:
Define -> Dynamic Mesh -> Zones...
(5)保存算例文件和數(shù)據(jù)文件。
(6)預(yù)覽動網(wǎng)格設(shè)置,菜單操作為:
Solve -> Mesh Motion...
(7)在計算活塞問題時,設(shè)定活塞計算中的事件:
Define -> Dynamic Mesh -> Events...
并可以通過顯示閥與活塞的運動,檢查上述設(shè)置是否正確:
Display -> IC Zone Motion...
(8)應(yīng)用自動保存功能保存計算結(jié)果。
File -> Write -> Autosave...
在動網(wǎng)格計算中,因為每個計算步中網(wǎng)格信息都會改變,而網(wǎng)格信息是儲存在算例文件中的,所以必須同時保存算例文件和數(shù)據(jù)文件。
(9)如果想建立網(wǎng)格運動的動畫過程,可以在Solution Animation(計算結(jié)果動畫)面板中進行相關(guān)設(shè)置。
注:在這一步中,需要提醒一下,使用動網(wǎng)格進行正式計算之前,最好養(yǎng)成預(yù)覽動網(wǎng)格更新的習(xí)慣;就是在正式計算前,瀏覽一下動網(wǎng)格的更新情況,這樣可以避免在計算過程中出現(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。

4、設(shè)定動網(wǎng)格參數(shù)
為了使用動網(wǎng)格模型,需要在dynamic mesh(動網(wǎng)格)面板中激活Dynamic Mesh(動網(wǎng)格)選項。如果計算的是活塞運動,則同時激活I(lǐng)n-Cylinder(活塞)選項。然后選擇動網(wǎng)格模型,并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

1)選擇網(wǎng)格更新模型
在Mesh Methods(網(wǎng)格劃分方法)下面選擇Smothing(彈簧光順模型),Layering(動態(tài)層模型)和(或)Remshing(局部重劃模型)。
2)設(shè)置彈簧光順參數(shù)
激活彈簧光順模型,相關(guān)參數(shù)設(shè)置位于Smoothing(光順)標簽下,可以設(shè)置的參數(shù)包括Spring Constant Factor(彈簧彈性系數(shù))、Boundary Node Relaxation(邊界點松弛因子)、
Convergence Tolerance(收斂判據(jù))和Number of Iterations(迭代次數(shù))。
彈簧彈性系數(shù)應(yīng)該在0 到1 之間變化,彈性系數(shù)等于0 時,彈簧系統(tǒng)沒有耗散過程,在圖中算例中,靠近壁面的網(wǎng)格沒有被改變,而是保持了原來的網(wǎng)格形狀和密度;在彈性系數(shù)等于1 時,彈簧系統(tǒng)的耗散過程與缺省設(shè)置相同,從圖中可以發(fā)現(xiàn)壁面發(fā)生變形,壁面附近網(wǎng)格因為過度加密而質(zhì)量下降。因此在實際計算中應(yīng)該在0 到1 之間選擇一個適當?shù)闹?。邊界點松弛因子用于控制動邊界上網(wǎng)格點的移動。當這個值為零時,邊界節(jié)點不發(fā)生移動;在這個值為1 時,則邊界節(jié)點的移動計算中不采用松弛格式。在大多數(shù)情況下,這個值應(yīng)該取為0 到1 之間的一個值,以保證邊界節(jié)點以合適的移動量發(fā)生移動。
收斂判據(jù)就是網(wǎng)格節(jié)點移動計算中,迭代計算的判據(jù)。迭代次數(shù)是指網(wǎng)格節(jié)點移動計算的最大迭代次數(shù)。

3)動態(tài)層
在Layering(動態(tài)層)標簽下,可以設(shè)置與動態(tài)層模型相關(guān)的參數(shù)。通過設(shè)定Constant
Height(常值高度)與Constant Ratio(常值比例)可以確定分解網(wǎng)格的兩種方法。Split Factor
(分割因子)和Collapse Factor(合并因子)則分別為上面介紹的alpha_s和alpha_c。

4)局部重新劃分網(wǎng)格
在Remeshing(重劃網(wǎng)格)標簽下,設(shè)置與局部重劃模型相關(guān)的參數(shù)?？梢栽O(shè)置的參數(shù)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),其含義如前所述,主要用于確定哪些網(wǎng)格需要被
重新劃分。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)
下面選擇Must Improve Skewness(必須改善畸變率)選項。如果Options(選項)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)標志需要重新劃分的網(wǎng)格。假設(shè)在某點附近的理想網(wǎng)格尺寸為L ,而某個網(wǎng)格的尺寸為L' ,如果:
L’不屬于[0.8*gamma*L,1.25*gamma*L]
則網(wǎng)格被標志為需要重新劃分的網(wǎng)格,并在隨后的計算中被重新劃分。式中的gamma用下面的公式計算:
當alpha>0時,gamma=1+alpha*d_b^(1+2*beta)
當alpha<0時,gamma=1+alpha*d_b^[(1-beta)^-1]
式中d_b為網(wǎng)格到壁面邊界的最小距離,alpha和beta就是需要設(shè)置的Size Function Variation(尺寸函數(shù)增量)和Size Function Rate(尺寸函數(shù)變化率)。
以上兩式中,alpha以邊界網(wǎng)格尺寸為基準控制內(nèi)部網(wǎng)格的大小,alpha等于0.5表示內(nèi)部網(wǎng)格的尺寸至少是邊界網(wǎng)格的1.5倍,alpha等于-0.5表示內(nèi)部網(wǎng)格的尺寸等于邊界網(wǎng)格的0.5倍,如果alpha等于0則表示內(nèi)部網(wǎng)格與邊界網(wǎng)格大小相同;bata的取值在-1到1之間,用于控制網(wǎng)格從邊界到內(nèi)部區(qū)域的變化速率。Beta取正值表示網(wǎng)格變化速率較慢取負值則表示變化速率較快,取0 則表示網(wǎng)格從邊界到內(nèi)部區(qū)域呈線性變化。
另外一個選項Size Function Resolution(尺寸函數(shù)分辨率)用于定義尺寸分布函數(shù)對網(wǎng)格大小的分辨率,其參照值是最小網(wǎng)格尺寸。
點擊Use defaults(使用缺省值)按鈕,可以恢復(fù)系統(tǒng)缺省設(shè)置。

5)設(shè)定活塞運動參數(shù)
如果在計算中選擇使用In-cylinder(活塞)模型,需要指定Crank Shaft Speed(曲柄速度)、Starting Crank Speed(曲柄起始速度)、Crank Period(曲柄周期)以及Crank Angle Step
Size(曲柄角度時間步長)。
FLUENT 中還提供一個內(nèi)建函數(shù)用于計算活塞位置。這個函數(shù)的自變量為曲柄轉(zhuǎn)角,如果選用這個函數(shù),還需要指定Piston Stroke(活塞行程)和Connecting Rod Length(連接桿長度)二個參數(shù)。
注:以上的一些參數(shù)設(shè)定對動網(wǎng)格的更新質(zhì)量影響很大,如果設(shè)置不當,可能引起更新不成功,如果不清楚這些設(shè)定因子對更新的影響,可以固定一些參數(shù)調(diào)節(jié)一兩個參數(shù)查看效果。另外,在這些更新方法中比較容易出問題的就是Remeshing方法中的一些參數(shù)設(shè)定:Remeshing中的參數(shù)Minimum length scale和Maximum Length Scale,這兩個參數(shù)你可以參考mesh scale info中的值,僅是參考,因為mesh scale info中的值是整個網(wǎng)格的評價值,設(shè)置的時候看一下動網(wǎng)格附近的網(wǎng)格和整個網(wǎng)格區(qū)域的大小比較,然后確定這兩個參數(shù),一般來講,動網(wǎng)格附近的網(wǎng)格較密,這些值都比整體的小,所以在設(shè)置時通常設(shè)置為比mesh scale info中的Minimum length scale大一點,比Maximum Length Scale小一點。

5、定義動網(wǎng)格的運動方式
在計算動網(wǎng)格問題時,必須定義動網(wǎng)格區(qū)的運動方式。在動網(wǎng)格區(qū)為剛體運動時,可以用型函數(shù)和UDF 來定義其運動;在動網(wǎng)格區(qū)為變形區(qū)域時,則需要定義其幾何特征及局部網(wǎng)格重劃參數(shù);如果動網(wǎng)格區(qū)既做剛體運動又有變形發(fā)生,則只能用UDF 來定義其幾何形狀的變化和運動過程。
上述定義在Dynamic Zones(動態(tài)區(qū)域)面板中設(shè)置,啟動該面板的菜單操作順序為:
Define -> Dynamic Mesh -> Zones...
在這個面板中可以修改動態(tài)區(qū)域的設(shè)置、計算剛體運動區(qū)域的重心或刪除一個動態(tài)區(qū)域。方法是首先在Dynamic Zones(動態(tài)區(qū)域)列表中選擇一個動網(wǎng)格區(qū),然后修改其設(shè)置參數(shù),或計算其重心,或進行刪除操作,最后點擊Create(創(chuàng)建)按鈕保存設(shè)置。
對于新加入的區(qū)域,需要先從Zone Names(區(qū)域名稱)下選擇相關(guān)區(qū)域,然后在Type(類型)下選擇其運動類型。可供選擇的運動類型包括Stationary(靜止)、Rigid Body(剛體運動)、Deforming(變形)和User-Defined(用戶自定義)四種。

1)靜止區(qū)域設(shè)置
如果被指定區(qū)域為靜止區(qū)域,則首先在Zone Names(區(qū)域名稱)下選擇這個區(qū)域,然在Type(類型)下選擇Stationary(靜止),再指定Adjacent Zone(相鄰區(qū)域)的Cell Height網(wǎng)格高度)用于網(wǎng)格重新劃分,最后點擊Create(創(chuàng)建)按鈕完成設(shè)置。

2)剛體運動區(qū)域設(shè)置
如果被指定區(qū)域為剛體運動區(qū)域,則其設(shè)置過程如下:
(1)在Zone Names(區(qū)域名稱)下選擇這個區(qū)域的名稱,然后在Type(類型)下選擇Rigid Body(剛體)。
(2)在Motion Attributes(運動屬性)標簽下的Motion UDF/Profile(用UDF 或型函數(shù)定義運動)中確定究竟用型函數(shù),還是UDF 來做運動定義。
(3)在C.G. Location(重心位置)中定義剛體重心的初始位置。
(4)在C.G. Orentation(重心方向)中定義重力在慣性系中的方向。
(5)如果計算中包含活塞計算,則需要在Valve/Piston Axis(閥門或活塞軸)中指定閥門或活塞的參考軸。如果在所定義的網(wǎng)格區(qū)域中,某種形狀的網(wǎng)格單元需要被排除在上述設(shè)置之外,則可以在Motion Mask(運動屏蔽)中選擇這些單元形狀。
(6)如果所定義的區(qū)域是面區(qū)域,則還需要定義Cell Height(網(wǎng)格高度)。這個參數(shù)用于定義局部網(wǎng)格重劃時,與面區(qū)域相鄰的網(wǎng)格的理想高度。
(7)點擊Create(創(chuàng)建)按鈕,完成設(shè)置。

3)變形運動
變形區(qū)域的設(shè)置過程為:
(1)在Zone Names(區(qū)域名稱)中選擇區(qū)域,并在Type(類型)下選擇Deforming(變形)。
(2)在Geometry Definition(幾何定義)下定義變形區(qū)的幾何特征,共有4 個選項:如果沒有合適的幾何形狀,就在Definition 中選擇none;如果變形區(qū)為平面,則選擇plane(平面)并在Point on Plane(平面上的點)中定義平面上一點,同時在Plane Normal(平面法向)中定義法線方向;如果變形區(qū)為圓柱面,則選擇Cylinder(圓柱),并同時定義Cylinder Radius(圓柱半徑)、Cylinder Origin(圓柱原點)和Cylinder Axis(圓柱軸);如果變形區(qū)幾何形狀需要用UDF 來定義,則在Definition(定義)中選擇user-defined(用戶定義),并在Geometry UDF(幾何UDF)中選擇適當?shù)暮瘮?shù)。
(3)在Remeshing Options(重劃選項)標簽下定義與網(wǎng)格局部重劃相關(guān)的參數(shù)。重劃方法在Mesh Methods(網(wǎng)格劃分方法)中選擇,其中包括Smoothing(彈簧光順模型)、Layering(動態(tài)層模型)和Remeshing(網(wǎng)格重劃模型)。如果動網(wǎng)格區(qū)域為面域,則需要設(shè)置局部重劃模型中的幾個參數(shù),包括Height(網(wǎng)格高度)、Height Factor(高度因子)和Maximum Skewness(最大畸變率)。如果動網(wǎng)格區(qū)域為體積域時,還可以設(shè)置Minimum Volume(最小體積)、Maximum Volume(最大體積)和Maximum Skewness(最大畸變率),這項設(shè)置可以覆蓋系統(tǒng)缺省設(shè)置,從而改變網(wǎng)格重劃過程。
(4)點擊Create(創(chuàng)建)按鈕完成設(shè)置。

4)用戶定義的運動方式
對于同時存在運動和變形的區(qū)域,只能使用UDF 來定義其運動方式,定義步驟如下:
(1)在Zone Names(區(qū)域名稱)中選擇需要定義的區(qū)域名稱,并在Type(類型)下選擇User-Defined(用戶定義)。
(2)在Motion Attributes(運動屬性)標簽下,然后在Mesh Motion UDF(網(wǎng)格運動UDF)下選擇相應(yīng)的UDF 函數(shù)。
(3)點擊Create(創(chuàng)建)按鈕完成設(shè)置。
關(guān)于UDF 函數(shù)的編制方法請參見與UDF 相關(guān)的章節(jié)。

補充資料:FLUENT三種動邊界控制實現(xiàn)方法
1) void DEFINE_CG_MOTION (UDFname,Dynamic_Thread * dt,real vel[ ], real omega[ ], real time,real dtime)。
此函數(shù)接口用于控制剛體的運動,用戶把剛體質(zhì)心運動速度和角速度分別賦值給vel和omega, FLUENT根據(jù)它們的值來自動計算出邊界下一步的位置,從而實現(xiàn)動邊界的控制; 剛體質(zhì)心的位置可以在函數(shù)接口界面對話框中定義。Dynamic Zones中的dwall就是要控制的動邊界,Motion UDF/Profile中的stc1sta010a0ph0就是UDFname,從中可看出它已被制定成用于控制dwall,理論上 FLUEN T可以通過這種方式實現(xiàn)無窮多個動邊界的控制; C.G.Location用于設(shè)定初始位置的質(zhì)心,C.G.Orientation用于設(shè)定剛體的初始角度。一般適用于剛體本身不變形的運動。
2) void DEFINE_GEOM(char name,Domain * d,Dynamic_Thread * dt,real * position)。
此函數(shù)接口用于控制變形體的邊界運動, position就是運動邊界上某網(wǎng)格節(jié)點的位置值,用戶可以通過對其賦值達到控制效果, position [0]對應(yīng)邊界節(jié)點的x坐標, position [1]對應(yīng)y 坐標, position [2]對應(yīng)z坐標; FLUENT自動遍歷所有的邊界節(jié)點,因此適用于有規(guī)律的可以用函數(shù)描述的運動邊界。
3) void DEFINE_ GRID_MOTION(name,d,dt,time,dtime)。
此函數(shù)接口也用于控制形體的邊界運動。主要用于更加復(fù)雜的控制,用戶需要自己利用 FLUENT提供的其他函數(shù)來遍歷運動邊界上的節(jié)點,并對其位置進行控制,因此 UDF編程比前面兩種復(fù)雜得多。它甚至可以事先生成好邊界數(shù)據(jù),在計算中把數(shù)據(jù)讀入,完成復(fù)雜形體控制。
6、預(yù)覽動網(wǎng)格
在設(shè)置好動網(wǎng)格模型及動網(wǎng)格區(qū)的運動方式后,可以通過預(yù)覽的方式檢查設(shè)置效果。預(yù)覽功能在Mesh Motion(網(wǎng)格運動)面板中進行設(shè)置,啟動這個面板的菜單操作為:
Solve -> Mesh Motion...
預(yù)覽操作步驟如下:
(1)在參數(shù)設(shè)置完畢后,首先保存算例(case)文件。因為與網(wǎng)格設(shè)置有關(guān)的記錄都保存在算例文件中,在預(yù)覽過程中伴隨著網(wǎng)格的更新,與網(wǎng)格有關(guān)的記錄也不斷被刷新,如果不進行保存,則無法恢復(fù)原始設(shè)置狀態(tài),在發(fā)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置問題后就無法進行更改了。
(2)設(shè)置迭代時間步數(shù)和時間步長。在計算過程中,當前時間將被顯示在Current Mesh Time(當前網(wǎng)格時間)欄中。如果在計算中選用了活塞模型選項,則時間步長用曲柄速度
(shaft speed)和曲柄轉(zhuǎn)動步長(crank angel step size)計算得出。
(3)為了在圖形窗口中預(yù)覽網(wǎng)格變化過程,需要激活Display Options(顯示選項)下的Display Grid(顯示網(wǎng)格),并在Display Frequency(顯示頻率)中設(shè)置顯示頻率,即每分鐘顯示圖幅數(shù)量。如果要保存顯示的圖形,則同時激活Save Hardcopy(保存硬拷貝)選項。
(4)點擊Preview(預(yù)覽)按鈕開始預(yù)覽。
在定義了活塞運動時,活塞運動的預(yù)覽是在IC Zone Motion(活塞運動)面板中實現(xiàn)的,激活這個面板的菜單操作為:
Display -> IC Zone Motion...
預(yù)覽操作的具體步驟為:
(1)在Display Grid(顯示網(wǎng)格)面板中選擇準備預(yù)覽的網(wǎng)格區(qū)域。
(2)在IC Zone Motion(網(wǎng)格運動)面板中,設(shè)置曲柄角度增量(Increment)和迭代步數(shù)(Number of Steps)。
(3)點擊Preview(預(yù)覽)按鈕開始預(yù)覽。
注:在動網(wǎng)格的建立內(nèi)容中,已經(jīng)說到了預(yù)覽動網(wǎng)格在整個計算之中的重要性,請參考。

7、定義活塞事件
在計算活塞運動時,可以通過定義活塞事件(events)的方式,在計算中增加問題的復(fù)雜度,使計算更接近真實情況。這些事件都是以曲柄角度為自變量的,比如可以將打開排氣閥的時間定義為曲柄角度的函數(shù),然后在曲柄轉(zhuǎn)到這個角度時,開始打開排氣閥操作,等等。下面介紹定義活塞事件的具體步驟和事件種類,從這些介紹中可以了解活塞事件的基本概念和使用方法。
1)活塞事件的設(shè)置步驟
活塞事件在Dynamic Mesh Events(動網(wǎng)格事件)面板中定義。
啟動這個面板的菜單操作次序為:
Define -> Dynamic Mesh -> Events...
活塞事件設(shè)置步驟為:
(1)在Number of Events(事件數(shù)量)欄中輸入需要定義的事件數(shù)量。
(2)在Name(名稱)下面輸入事件名稱。
(3)在At Crank Angel(曲柄角度)下輸入事件發(fā)生的曲柄角度。
(4)點擊Define(定義)按鈕進入Define Event(定義事件)面板做詳細定義
(5)在Type(類型)下面選擇動網(wǎng)格運動類型,可供選擇的運動類型包括Change Zone
Type(改變網(wǎng)格區(qū)域類型)、Copy Zone BC(拷貝網(wǎng)格區(qū)域邊界條件)、Create Sliding Interface(創(chuàng)建滑動網(wǎng)格交界面)、Delete Sliding Interface(刪除滑動網(wǎng)格交界面)、Change Motion Attribute(改變運動屬性)、Change Time Step Size(改變時間步長)、Insert Boundary Layer(插入邊界層)、Remove Boundary Layer(刪除邊界層)、Insert Interior Layer(插入內(nèi)部網(wǎng)格層)和Remove Interior Layer(刪除內(nèi)部網(wǎng)格層)等。在確定了事件類型后,還需要對所選運動類型做進一步設(shè)置,詳細情況請參見下一小節(jié)中的內(nèi)容。
(6)對其他事件重復(fù)(2)到(5)的設(shè)置過程。
(7)將所有事件設(shè)置完畢后,點擊Apply(應(yīng)用)按鈕保存所有設(shè)置。

(8)在Dynamic Mesh Events(動網(wǎng)格事件)面板中點擊Preview(預(yù)覽)按鈕,預(yù)覽上述設(shè)置的事件。

2)活塞事件
在上一小節(jié)中講到的各種事件類型的含義如下:
(1)Change Zone Type(改變網(wǎng)格區(qū)域類型)。在計算過程中可以改變網(wǎng)格區(qū)域的類型,
即將網(wǎng)格類型在wall(壁面)、interface(交界面)、fluid(流體)和solid(固體)等類型之間進行轉(zhuǎn)換。在New Zone Type(新網(wǎng)格區(qū)域類型)中指定一種類型,則當曲柄運動到相
應(yīng)位置時,指定網(wǎng)格區(qū)域類型就會發(fā)生轉(zhuǎn)換。
(2)Copy Zone BC(拷貝網(wǎng)格區(qū)域邊界條件)。在網(wǎng)格區(qū)域類型改變后,原來設(shè)置在網(wǎng)格上的邊界條件也要發(fā)生相應(yīng)的變化,這種變化可以通過拷貝另一個區(qū)域的邊界條件實現(xiàn),即在設(shè)定改變網(wǎng)格區(qū)類型的同時,設(shè)定拷貝邊界條件事件,在網(wǎng)格類型發(fā)生改變時,隨即從另一個邊界上拷貝其邊界條件作為新類型下網(wǎng)格區(qū)域的邊界條件。
(3)Creating Sliding Interface(創(chuàng)建滑動網(wǎng)格交界面)。在選擇了這個事件類型后,需要定義構(gòu)成交界面的兩個面,即兩個相鄰網(wǎng)格區(qū)域Interface Zone 1(交界面區(qū)1)和Interface
Zone 2(交界面區(qū)2)。在這里不用考慮界面類型轉(zhuǎn)換的問題,系統(tǒng)會自動將定義為交界面
區(qū)的網(wǎng)格區(qū)域轉(zhuǎn)換為內(nèi)部面類型。
(4)Deleting Sliding Interface(刪除滑動網(wǎng)格交界面)。在選擇了這個事件類型后,需要在Interface Name(界面名稱)中指定將被刪除的交界面。在刪除界面后,界面所在網(wǎng)格區(qū)域?qū)⒈蛔詣愚D(zhuǎn)換為壁面,如果不準備采用系統(tǒng)缺省設(shè)置的壁面條件的話,可以考慮如(2)中提示的那樣,從其他壁面上拷貝邊界。
(5)Change Motion Attribute(改變運動屬性)?？梢杂眠@個事件類型修改網(wǎng)格運動類型。選擇了這個事件類型后,需要在Attribute(運動屬性)中指定一種運動類型,可以選擇的類型包括sliding(滑動)、moving(移動)和remesh(網(wǎng)格重劃),同時在Status(狀態(tài))中選擇enable(激活)或disable(關(guān)閉)。
(6)Change Time Step(改變時間步長)。在Crank Angel Step Size(曲柄角度步長)中輸入新的步長,可以修改迭代的時間步長)。
(7)Insert Boundary Cell Layer(插入邊界網(wǎng)格層)。選擇這個事件類型后,需要指定Base Dynamic Zone(基礎(chǔ)動網(wǎng)格區(qū))和Side Dynamic Zone(臨近動網(wǎng)格區(qū))。邊界層網(wǎng)格將以基礎(chǔ)動網(wǎng)格區(qū)為起點生成,臨近動網(wǎng)格區(qū)就是網(wǎng)格即將發(fā)生變形的區(qū)域。
(8)Deleting Boundary Cell Layer(刪除邊界網(wǎng)格層)。這個事件類型選項與(7)中的事件相對應(yīng),在選擇這個選項后,只要指定Base Dynamic Zone(基礎(chǔ)動網(wǎng)格區(qū))就可以將插入的邊界網(wǎng)格刪除。
(9)Insert Interior Cell Layer(插入內(nèi)部網(wǎng)格層)。如同插入邊界網(wǎng)格層一樣,這項操作也需要指定Base Dynamic Zone(基礎(chǔ)動網(wǎng)格區(qū))和Side Dynamic Zone(臨近動網(wǎng)格區(qū)),不同的是還需要為新生成的界面命名,即指定Internal Zone 1 Name(內(nèi)部網(wǎng)格區(qū)1 名稱)
和Internal Zone 2 Name(內(nèi)部網(wǎng)格區(qū)2 名稱)。
(10)Remove Interior Cell Layer(刪除內(nèi)部網(wǎng)格層)。選擇這個事件選項后,只要指定被刪除的網(wǎng)格區(qū)名稱,Internal Zone 1 Name(內(nèi)部網(wǎng)格區(qū)1 名稱)和Internal Zone 2 Name
(內(nèi)部網(wǎng)格區(qū)2 名稱)即可。

3)輸入輸出活塞事件
在Dynamic Mesh Events(動網(wǎng)格事件)面板上,點擊Write...(輸出)按鈕可以將設(shè)置好的活塞事件以文件形式輸出到磁盤上;點擊Read...(輸入)按鈕可以將活塞事件文件讀入計算模型。

4)活塞計算中初始網(wǎng)格的生成
可以在dynamesh-mesh-control 文本菜單下,用文本命令position-starting-mesh 設(shè)置活塞的初始位置,例如:
/define/models/dynamic-mesh-controls> position-starting-mesh
Start Crank Angle (deg) [0] 340
即將初始位置設(shè)置在曲柄轉(zhuǎn)角為340°處。
在進行活塞計算的設(shè)置中,需要妥善處理動網(wǎng)格的拓撲關(guān)系、活塞和閥門的運動屬性、進氣閥和排氣閥的開關(guān)以及活塞事件的先后次序,盡量全面、合理地進行設(shè)置,以保證計算能順利完成。

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