FLUENT中被動型動網(wǎng)格問題求解方案6DOF教學(xué)提綱

1、精品文檔CAE 聯(lián)盟論壇精品講座系列FLUENT 中被動型動網(wǎng)格問題求解方案： 6DOF主講人：流沙 CAE 聯(lián)盟論壇總版主利用 CFD軟件解決動網(wǎng)格問題，通?？煞譃橐韵聝深悾海?）主動型動網(wǎng)格主動型動網(wǎng)格問題通常指的是邊界運動規(guī)律及運動狀態(tài)已知， 通常可由軟件使用者通過函數(shù) 或程序進行描述。 在程序計算過程中， 求解器調(diào)用邊界運動軌跡描述程序?qū)崿F(xiàn)邊界運動。 這 類動網(wǎng)格例子很多，如各類泵、風(fēng)扇等。（2）被動型動網(wǎng)格還有一類動網(wǎng)格問題， 其邊界運動規(guī)律往往是未知的， 常常需要通過計算邊界上的力或力矩， 以此來求取邊界的運動。 在這類動網(wǎng)格計算設(shè)置中， 網(wǎng)格變化規(guī)律難以預(yù)料， 導(dǎo)致網(wǎng)格參數(shù) 經(jīng)常

2、需要進行多次調(diào)整才能達(dá)到目的。 這類例子在現(xiàn)實中其實也很多， 比如風(fēng)力發(fā)電機的葉 輪、水輪機等。解決主動型動網(wǎng)格問題比較容易，利用CFD軟件提供的動網(wǎng)格模擬能力很容易解決。需要關(guān)注的地方是邊界運動后，網(wǎng)格節(jié)點如何重新布置和生成。如在FLUENT軟件中，其動網(wǎng)格主要包括三種網(wǎng)格功能： 彈簧光順、 動態(tài)層及網(wǎng)格重構(gòu)。 利用網(wǎng)格重構(gòu)功能幾乎可以解決所 有主動型動網(wǎng)格問題。那被動型動網(wǎng)格問題怎么處理呢？一般來說， 這類邊界的運動都是由于內(nèi)部流體對其壓力所 造成的，那么就涉及到力和力矩計算的問題。 對于這類問題， 在 FLUENT軟件中可以采用 6DOF 模型進行計算。需要注意的是， 以上所有類型動網(wǎng)格

3、計算均建立在邊界為剛性的情況下。 即不會計算由于流 動產(chǎn)生的力的作用導(dǎo)致的邊界變形。 若要計算邊界變形， 則需要采用流固耦合方法， 利用固 體求解器計算。被動型動網(wǎng)格中的力和力矩均是壓力對面的積分計算而來。1、6DOF UDF宏在 FLUENT中利用 6DOF是需要定義 UDF 宏的。該宏的定義形式如下：DEFINE_SDOF_PROPERTIES（name, properties, dt ,time ,dtime）函數(shù)中：精品文檔精品文檔Name：宏名稱Real *properties ：存儲 6DOF 屬性的數(shù)組Dynamic_Thread *dt ：存儲制定的動網(wǎng)格屬性Real time

4、 ：當(dāng)前時間Real dtime ：時間步長該 UDF宏沒有返回值。用戶需要定義的變變量為 name 、 properties 、 dt 、 dtime 。在利用該 UDF 宏的過程中 ,需要注意的是 properties 數(shù)組，其包含多種屬性：SDOF_MASS /質(zhì)量，定義方式如 propertiesSDOF_MASS=7.0 定義質(zhì)量 7kgSDOF_IXX，SDOF_IYY，SOF_IZZ， /X 、Y、Z 方向慣性矩SDOF_IXY，SDOF_IXZ，SDOF_IYZ， / 慣性積SDOF_LOAD_LOCA，L / 布爾值， FALSE為全局坐標(biāo)系， TRUE為體坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系

5、），默 認(rèn)為 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，/ 分別為 X，Y，Z 方向外力矩SDOF_ZERO_TRANS_，XSDOF_ZERO_TRANS_，YSDOF_ZERO_TRANS_，Z/ 布爾值， TRUE表示 該方向位移為 0，默認(rèn)為 FALSESDOF_ZERO_ROT_，X SDOF_ZERO_ROT_，Y SDOF_ZERO_ROT_，Z / 布爾值， TRUE表示該方向 旋轉(zhuǎn)自由度為 0，默認(rèn)值為 FAL

6、SESDOF_SYMMETRY_，X SDOF_SYMMETRY_，Y SDOF_SYMMETRY_，Z / 指定半模型的對稱軸法向 向量。在半模型運動時使用。上面的變換變量可以應(yīng)付絕大多數(shù)問題，然而在FLUENT中，用戶還可以自定義變換變量，這也是通過 6DOF 屬性變量實現(xiàn)，這些變量包括：SDOF_CUSTOM_TRAN，S / 布爾值， TRUE表示使用自定義變換變量， FALUSE表示不使用SDOF_CTRANS_1，1SDOF_CTRANS_1，2SDOF_CTRANS_1，3SDOF_CTRANS_2，1SDOF_CTRANS_2，2 SDOF_CTRANS_2，3 SDOF_CT

7、RANS_3，1 SDOF_CTRANS_3，2 SDOF_CTRANS_3，3 / 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變 量精品文檔精品文檔SDOF_DTRANS_1，1 SDOF_DTRANS_1，2 SDOF_DTRANS_1，3 SDOF_DTRANS_2，1SDOF_DTRANS_2，2 SDOF_DTRANS_2，3 SDOF_DTRANS_3，1 SDOF_DTRANS_3，2 SDOF_DTRANS_3，3 / 衍生旋轉(zhuǎn)矩陣這些旋轉(zhuǎn)矩陣在實際使用中應(yīng)用較少。下面是一個簡單的 SDOF實例：#include “ udf.h ”DEFINE_SDOF_PROPERTIES(stage,prop,time,d

8、time)propSDOF_MASS = 800.0;propSDOF_IXX = 200;PropSDOF_IYY = 100;PropSDOF_IZZ = 100;上面的 UDF定義了一個名為 stage的 SDOF宏，且質(zhì)量 800kg，X 方向轉(zhuǎn)動慣量為 200，Y方 向轉(zhuǎn)動慣量 100，Z 方向轉(zhuǎn)動慣量 1002、剛體參數(shù)的獲取應(yīng)用 6DOF 無可避免的會碰到剛體屬性值的獲取問題。對于簡單的幾何體，應(yīng)用力學(xué)公式可 以很方便的計算出諸如質(zhì)量、 轉(zhuǎn)動慣量等。 但是對于復(fù)雜的幾何模型， 要想通過數(shù)學(xué)公式計 算出這些物理量幾乎是不可能的。其實，幾乎所有的 CAD 建模軟件中均具有這些物理量的

9、計算能力，不過要注意區(qū)分計算的 是全局坐標(biāo)系還是局部坐標(biāo)系。下面將以實例來描述如何應(yīng)用 6DOF 模型求解被動型動網(wǎng)格問題。精品文檔精品文檔6DOF實例:設(shè)置過程對于被動型動網(wǎng)格計算問題， 可以采用 6DOF 動網(wǎng)格模型解決。 利用該模型時， 需要確定計 算模型中運動部件的質(zhì)量、 三方向轉(zhuǎn)動慣量及慣性矩、 重心坐標(biāo)。 因此在幾何模型創(chuàng)建過程 中，盡量使這些值容易獲取（比如將重心位置放置在坐標(biāo)原點），當(dāng)然這不是必須的，在 CAD 建模軟件中都包含了這些物理量的查詢。如圖 1 所示的幾何體， 在受到圖中流動方向的流體作用下， 若軸向旋轉(zhuǎn)自由度未被約束， 則 會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。本次實例幾何如圖1 所示

10、。在建立流體計算域之前，需要利用 CAD 軟件獲取幾何的特征物理量，我們這里使用 Solidworks 實現(xiàn)此功能。1、獲取幾何屬性精品文檔精品文檔如圖 2利用 solidworks 載入幾何體，進入【評估】 【質(zhì)量屬性】，選擇幾何體進行計算， 所示。圖 2 質(zhì)量屬性在計算幾何質(zhì)量屬性對話框中，可以點擊【選項】按鈕，設(shè)置材料參數(shù)，如圖3 所示。精品文檔精品文檔從圖 2 可以看出，該幾何體的重心( 0,0,25.19)， Z 方向慣性矩 IZZ=324047.793g*mm2 ， 由于我們的幾何體約束了 X,Y,Z 三方向移動自由度， X， Y 方向的旋轉(zhuǎn)自由度，因此只需要 Z 方向的慣性矩。需

11、要注意的是，這里的單位是mm ，而 UDF 中必須全部為國際單位制，需要做單位轉(zhuǎn)換。2、計算域模型在 workbench 中的 DM 中創(chuàng)建計算域模型。主要是利用 DM 中方便的布爾運算功能。建立的計算域如圖 4 所示。為計算域邊界命名， 分別命名內(nèi)部區(qū)域面、 入口面、出口面、圓柱面邊界為： WallRotation 、 VelocityInlet 、 Outlet 、 wallCylinder 。精品文檔精品文檔 計算域建立完畢后即進行網(wǎng)格的劃分，這里不詳細(xì)描述。3、UDF 宏的編寫利用文本編輯器編寫 UDF 宏文件。如下：#include udf.hDEFINE_SDOF_PROPERTI

12、ES(rotate,prop,dt,time,dtime)propSDOF_MASS = 845.154E-3; /* 質(zhì)量 */ propSDOF_IXX= 336179E-9; /*x方向慣性矩 */propSDOF_IYY = 336179E-9; /*y 方向慣性矩 */ propSDOF_IZZ= 324047.793E-9; /*z 方向慣性矩 */ propSDOF_ZERO_TRANS_X=TRUE; /*限制 x 方向位移 */ propSDOF_ZERO_TRANS_Y=TRUE; /*限制 y 方向位移 */ propSDOF_ZERO_TRANS_Z=TRUE; /*限

13、制 z 方向位移 */ propSDOF_ZERO_ROT_X=TRUE; /*限制 x 方向旋轉(zhuǎn) */ propSDOF_ZERO_ROT_Y=TRUE;/限* 制 y 方向旋轉(zhuǎn) */ 精品文檔精品文檔printf(nstage: updated 6dof properties);4、進入 FLUENT 中設(shè)置在 FLUENT 中主要包括動網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置。其他設(shè)置：瞬態(tài)計算、標(biāo)準(zhǔn) K-E 湍流模型、標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)、工作介質(zhì)為 water 、入口 5m/s， 出口靜壓為 0 。動網(wǎng)格設(shè)置：（1）、激活 sixDOF如圖 5 所示，進入 Dynamic Mesh 面板，激活 Dynamic Mes

14、h ，勾選 Remeshing 選項及 SixDOF 項。2）、動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置進入 mesh methods下的 settings按鈕，進入動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置。圖6、圖 7 分別為 smoothing與 Remeshing 的設(shè)置。精品文檔罰蔭也!屮omu耳g$6uiUS1|貉內(nèi)精品文檔6DOF 中的 settings 設(shè)置對話框如圖 8 所示，這里我們不考慮重力影響，設(shè)置三方向重力加 速度為 0。同時勾選 write motion history 項，記錄保存運動中幾何姿態(tài)。精品文檔精品文檔3）、編譯加載 UDF 宏利用菜單【 Define 】 【 user defined】【function】【Complied】編譯宏。精品文檔精品文檔4）、設(shè)置動網(wǎng)格區(qū)域動網(wǎng)格設(shè)置面板中，點擊【 所示的紅色框選部分。Create/Edit 】按鈕定義動網(wǎng)格區(qū)域。需要設(shè)置的區(qū)域如圖10圖 10 運動區(qū)域設(shè)置同時注意設(shè)置 meshing Options 標(biāo)簽頁下的網(wǎng)格高度。5、需要注意的問題3D 動網(wǎng)格問題，首先要注意的是負(fù)體積問題。前面說過，由于運動狀態(tài)由受力狀態(tài)控制， 在計算之前是未知的， 所有調(diào)整動網(wǎng)格