动网格技术的研究

Fluent中被动运动SixDOF(2016-01-3010:07:51)转载▼利用CFD软件解决动网格问题，通常可分为以下两类：（1）主动型动网格主动型动网格问题通常指的是边界运动规律及运动状态已知，可由软件使用者通过函数或程序进行描述。在程序计算过程中，求解器调用动网格运动轨迹描述程序实现边界运动。这类动网格例子很多，如各类泵、风扇等。（2）被动型动网格被动型动网格问题通常是指其边界运动规律往往是未知的，常常需要通过计算边界上的力或力矩，以此来求取动网格的运动规律。在这类动网格计算设置中，网格变化规律难以预料，导致网格参数经常需要进行多次调整才能达到目的。这类例子在现实中也很多，比如风力发电机的叶轮、水轮机等。解决主动型动网格问题比较容易，利用CFD软件提供的动网格模拟能力很容易解决。需要关注的地方是边界运动后，网格节点如何重新布置和生成。如在FLUENT软件中，其动网格主要包括三种网格功能：Smoothing、Layering、Remeshing。利用Remeshing功能几乎可以解决所有主动型动网格问题。那被动型动网格问题怎么处理呢？一般来说，这类边界的运动都是由于内部流体对其压力所造成的，那么就涉及到力和力矩计算的问题。对于这类问题，在FLUENT软件中可以采用SixDOF模型进行计算。需要注意的是，以上所有类型动网格计算均以刚性移动边界为前提，即不考虑由于流体作用力导致的边界变形。若要计算边界变形，则需要采用流固耦合方法，利用固体求解器计算被动型动网格中的力和力矩，均是压力对面的积分计算而来。下面介绍一下SixDOF运用方法：在FLUENT中利用SixDOF是需要定义UDF宏的。该宏的定义形式如下：DEFINE_SDOF_PROPERTIES(name,properties,dt,time,dtime)函数中：Name：宏名称Real*properties：存储6DOF属性的数组Dynamic_Thread*dt：存储制定的动网格属性Realtime：当前时间Realdtime：时间步长该UDF宏没有返回值。用户需要定义的变变量为name、properties、dt、dtime。在利用该UDF宏的过程中,需要注意的是properties数组，其包含多种属性：SDOF_MASS//质量，定义方式如properties[SDOF_MASS]=7.0定义质量7kgSDOF_IXX，SDOF_IYY，SOF_IZZ，//X、Y、Z方向惯性矩SDOF_IXY，SDOF_IXZ，SDOF_IYZ，//惯性积SDOF_LOAD_LOCAL，//布尔值，FALSE为全局坐标系，TRUE为体坐标系（局部坐标系），默认为FALSESDOF_LOAD_F_X，SDOF_LOAD_F_Y，SDOF_LOAD_F_Z，//X，Y，Z方向外力SDOF_LOAD_M_X，SDOF_LOAD_M_Y，SDOF_LOAD_M_Z，//分别为X，Y，Z方向外力矩SDOF_ZERO_TRANS_X，SDOF_ZERO_TRANS_Y，SDOF_ZERO_TRANS_Z，//布尔值，TRUE表示该方向位移为0，默认为FALSESDOF_ZERO_ROT_X，SDOF_ZERO_ROT_Y，SDOF_ZERO_ROT_Z，//布尔值，TRUE表示该方向旋转自由度为0，默认值为FALSESDOF_SYMMETRY_X，SDOF_SYMMETRY_Y，SDOF_SYMMETRY_Z，//指定半模型的对称轴法向向量。在半模型运动时使用。上面的变换变量可以应付绝大多数问题，然而在FLUENT中，用户还可以自定义变换变量，这也是通过6DOF属性变量实现，这些变量包括：SDOF_CUSTOM_TRANS，//布尔值，TRUE表示使用自定义变换变量，FALUSE表示不使用SDOF_CTRANS_11，SDOF_CTRANS_12，SDOF_CTRANS_13，SDOF_CTRANS_21，SDOF_CTRANS_22，SDOF_CTRANS_23，SDOF_CTRANS_31，SDOF_CTRANS_32，SDOF_CTRANS_33，//坐标旋转变量SDOF_DTRANS_11，SDOF_DTRANS_12，SDOF_DTRANS_13，SDOF_DTRANS_21，SDOF_DTRANS_22，SDOF_DTRANS_23，SDOF_DTRANS_31，SDOF_DTRANS_32，SDOF_DTRANS_33，//衍生旋转矩阵，这些旋转矩阵在实际使用中应用较少。下面是一个简单的SDOF实例：#include“udf.h”DEFINE_SDOF_PROPERTIES(stage,prop,time,dtime){prop[SDOF_MASS]=800.0;prop[SDOF_IXX]=200;Prop[SDOF_IYY]=100;Prop[SDOF_IZZ]=100;}上面的UDF定义了一个名为stage的SDOF宏，且质量800kg，X方向转动惯量为200，Y方向转动惯量100，Z方向转动惯量1002、刚体参数的获取应用6DOF无可避免的会碰到刚体属性值的获取问题。对于简单的几何体，应用力学公式可以很方便的计算出诸如质量、转动惯量等。但是对于复杂的几何模型，要想通过数学公式计算出这些物理量几乎是不可能的。其实，几乎所有的CAD建模软件中均具有这些物理量的计算能力，不过要注意区分计算的是全局坐标系还是局部坐标系。6DOF实例1:设置过程对于被动型动网格计算问题，可以采用6DOF动网格模型解决。利用该模型时，需要确定计算模型中运动部件的质量、三方向转动惯量及惯性矩、重心坐标。因此在几何模型创建过程中，尽量使这些值容易获取（比如将重心位置放置在坐标原点），当然这不是必须的，在CAD建模软件中都包含了这些物理量的查询。图1旋转体几何如图1所示的几何体，在受到图中流动方向的流体作用下，若轴向旋转自由度未被约束，则会产生旋转位移。本次实例几何如图1所示。在建立流体计算域之前，需要利用CAD软件获取几何的特征物理量，我们这里使用Solidworks实现此功能。1、获取几何属性利用solidworks载入几何体，进入【评估】【质量属性】，选择几何体进行计算，如图2所示。图2质量属性在计算几何质量属性对话框中，可以点击【选项】按钮，设置材料参数，如图3所示。图3几何参数从图2可以看出，该几何体的重心（0,0,25.19），Z方向惯性矩IZZ=324047.793g*mm^2，由于我们的几何体约束了X,Y,Z三方向移动自由度，X，Y方向的旋转自由度，因此只需要Z方向的惯性矩。需要注意的是，这里的单位是mm，而UDF中必须全部为国际单位制，需要做单位转换。2、计算域模型在workbench中的DM中创建计算域模型。主要是利用DM中方便的布尔运算功能。建立的计算域如图4所示。图4计算域为计算域边界命名，分别命名内部区域面、入口面、出口面、圆柱面边界为：WallRotation、VelocityInlet、Outlet、wallCylinder。计算域建立完毕后即进行网格的划分，这里不详细描述。3、UDF宏的编写利用文本编辑器编写UDF宏文件。如下：#includeudf.hDEFINE_SDOF_PROPERTIES(rotate,prop,dt,time,dtime){prop[SDOF_MASS]=845.154E-3;prop[SDOF_IXX]=336179E-9;prop[SDOF_IYY]=336179E-9;prop[SDOF_IZZ]=324047.793E-9;prop[SDOF_ZERO_TRANS_X]=TRUE;prop[SDOF_ZERO_TRANS_Y]=TRUE;prop[SDOF_ZERO_TRANS_Z]=TRUE;prop[SDOF_ZERO_ROT_X]=TRUE;prop[SDOF_ZERO_ROT_Y]=TRUE;printf(\nstage:updated6dofproperties);}4、进入FLUENT中设置在FLUENT中主要包括动网格参数的设置。其他设置：瞬态计算、标准K-E湍流模型、标准壁面函数、工作介质为water、入口5m/s，出口静压为0。动网格设置：（1）激活SixDOF如图5所示，进入DynamicMesh面板，激活DynamicMesh，勾选Remeshing选项及SixDOF项。图5（2）动网格参数设置进入meshmethods下的settings按钮，进入动网格参数设置。图6、图7分别为smoothing与Remeshing的设置。图6Smoothing界面图7Remeshing界面SixDOF中的settings设置对话框如图8所示，这里我们不考虑重力影响，设置三方向重力加速度为0。同时勾选writemotionhistory项，记录保存运动中几何姿态。图8SixDOF界面（3）编译加载UDF宏利用菜单【Define】【userdefined】【function】【Complied】编译宏。图9编译加载UDF宏文（4）设置动网格区域动网格设置面板中，点击【Create/Edit…】按钮定义动网格区域。需要设置的区域如图10所示的红色框选部分。图10运动区域设置同时注意设置MeshingOptions标签页下的网格高度。5、需要注意的问题3D动网格问题，首先要注意的是负体积问题。前面说过，由于运动状态由受力状态控制，在计算之前是未知的，所有调整动网格参数比较困难。不过仔细耐心的修正还是可以解决的。其次，关于这类被动运动问题，一些模型较为简单的几何体，实际上是可以化被动为主动，只是计算壁面受力，运动状态通过受力状态用UDF确定。比如此例，我们可以在计算过程中通过宏计算出每次迭代加载在重心上的力和力矩，然后通过力学公式确定几何体的运动状态。这样被动运动问题就变为人为定义运动状态的主动动网格问题。对于空心圆柱当回转轴为对称轴时，J=﹙1/2﹚m[（R1）^2-（R2）^2；]R1和R2分别为其内外半径。