FLUENT中被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題求解方案：6DOF

1、CAE聯(lián)盟論壇精品講座系列FLUENT中被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)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(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題，通常可分為以下兩類(lèi)：（1）主動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格主動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題通常指的是邊界運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已知，通?？捎绍浖褂谜咄ㄟ^(guò)函數(shù)或程序進(jìn)行描述。在程序計(jì)算過(guò)程中，求解器調(diào)用邊界運(yùn)動(dòng)軌跡描述程序?qū)崿F(xiàn)邊界運(yùn)動(dòng)。這類(lèi)動(dòng)網(wǎng)格例子很多，如各類(lèi)泵、風(fēng)扇等。（2）被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格還有一類(lèi)動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題，其邊界運(yùn)動(dòng)規(guī)律往往是未知的，常常需要通過(guò)計(jì)算邊界上的力或力矩，以此來(lái)求取邊界的運(yùn)動(dòng)。在這類(lèi)動(dòng)網(wǎng)格計(jì)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)常需要進(jìn)行多次調(diào)整才能達(dá)到目的。這類(lèi)例子在現(xiàn)實(shí)

2、中其實(shí)也很多，比如風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪、水輪機(jī)等。解決主動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題比較容易，利用CFD軟件提供的動(dòng)網(wǎng)格模擬能力很容易解決。需要關(guān)注的地方是邊界運(yùn)動(dòng)后，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)如何重新布置和生成。如在FLUENT軟件中，其動(dòng)網(wǎng)格主要包括三種網(wǎng)格功能：彈簧光順、動(dòng)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(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題。那被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題怎么處理呢？一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)邊界的運(yùn)動(dòng)都是由于內(nèi)部流體對(duì)其壓力所造成的，那么就涉及到力和力矩計(jì)算的問(wèn)題。對(duì)于這類(lèi)問(wèn)題，在FLUENT軟件中可以采用6DOF模型進(jìn)行計(jì)算。需要注意的是，以上所有類(lèi)型動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算均建立在邊界為剛性的情況下。即不會(huì)計(jì)算由于流動(dòng)產(chǎn)生的力的作用導(dǎo)致的邊界

3、變形。若要計(jì)算邊界變形，則需要采用流固耦合方法，利用固體求解器計(jì)算。被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格中的力和力矩均是壓力對(duì)面的積分計(jì)算而來(lái)。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：Name：宏名稱(chēng)Real *properties：存儲(chǔ)6DOF屬性的數(shù)組Dynamic_Thread *dt：存儲(chǔ)制定的動(dòng)網(wǎng)格屬性Real time：當(dāng)前時(shí)間Real dtime：時(shí)間步長(zhǎng)該UDF宏沒(méi)有返回值。用戶(hù)需要定義的變變量為name、properties、d

4、t、dtime。在利用該UDF宏的過(guò)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_LOCAL，/布爾值，F(xiàn)ALSE為全局坐標(biāo)系，TRUE為體坐標(biāo)系（局部坐標(biāo)系），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

5、_Y，SDOF_LOAD_M_Z，/分別為X，Y，Z方向外力矩SDOF_ZERO_TRANS_X，SDOF_ZERO_TRANS_Y，SDOF_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FALSESDOF_SYMMETRY_X，SDOF_SYMMETRY_Y，SDOF_SYMMETRY_Z，/指定半模型的對(duì)稱(chēng)軸法向向量。在半模型運(yùn)動(dòng)時(shí)使用。上面的變換變量可以應(yīng)付絕大多數(shù)問(wèn)題，然而在FLUENT中，用戶(hù)還可以自定

6、義變換變量，這也是通過(guò)6DOF屬性變量實(shí)現(xiàn)，這些變量包括：SDOF_CUSTOM_TRANS，/布爾值，TRUE表示使用自定義變換變量，F(xiàn)ALUSE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，/坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變量SDOF_DTRANS_11，SDOF_DTRANS_12，SDOF_DTRANS_13，SDOF_DTRANS_21，SDOF_DTRANS_22，SDOF

7、_DTRANS_23，SDOF_DTRANS_31，SDOF_DTRANS_32，SDOF_DTRANS_33，/衍生旋轉(zhuǎn)矩陣這些旋轉(zhuǎn)矩陣在實(shí)際使用中應(yīng)用較少。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的SDOF實(shí)例：#include “udf.h”DEFINE_SDOF_PROPERTIES(stage,prop,time,dtime)propSDOF_MASS = 800.0;propSDOF_IXX = 200;PropSDOF_IYY = 100;PropSDOF_IZZ = 100;上面的UDF定義了一個(gè)名為stage的SDOF宏，且質(zhì)量800kg，X方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為200，Y方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量100，Z方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1

8、002、剛體參數(shù)的獲取應(yīng)用6DOF無(wú)可避免的會(huì)碰到剛體屬性值的獲取問(wèn)題。對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何體，應(yīng)用力學(xué)公式可以很方便的計(jì)算出諸如質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。但是對(duì)于復(fù)雜的幾何模型，要想通過(guò)數(shù)學(xué)公式計(jì)算出這些物理量幾乎是不可能的。其實(shí)，幾乎所有的CAD建模軟件中均具有這些物理量的計(jì)算能力，不過(guò)要注意區(qū)分計(jì)算的是全局坐標(biāo)系還是局部坐標(biāo)系。下面將以實(shí)例來(lái)描述如何應(yīng)用6DOF模型求解被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題。6DOF實(shí)例:設(shè)置過(guò)程 對(duì)于被動(dòng)型動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算問(wèn)題，可以采用6DOF動(dòng)網(wǎng)格模型解決。利用該模型時(shí)，需要確定計(jì)算模型中運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量、三方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及慣性矩、重心坐標(biāo)。因此在幾何模型創(chuàng)建過(guò)程中，盡量使這些值容易獲?。ū热鐚?/p>

9、重心位置放置在坐標(biāo)原點(diǎn)），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(xún)。 如圖1所示的幾何體，在受到圖中流動(dòng)方向的流體作用下，若軸向旋轉(zhuǎn)自由度未被約束，則會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)位移。本次實(shí)例幾何如圖1所示。在建立流體計(jì)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(shí)現(xiàn)此功能。1、獲取幾何屬性利用solidworks載入幾何體，進(jìn)入【評(píng)估】>【質(zhì)量屬性】，選擇幾何體進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。圖 2 質(zhì)量屬性在計(jì)算幾何質(zhì)量屬性對(duì)話框中，可以點(diǎn)擊【選項(xiàng)】按鈕，設(shè)置材料參數(shù)，如圖3所示。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=

10、324047.793g*mm2，由于我們的幾何體約束了X,Y,Z三方向移動(dòng)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。需要注意的是，這里的單位是mm，而UDF中必須全部為國(guó)際單位制，需要做單位轉(zhuǎn)換。2、計(jì)算域模型在workbench中的DM中創(chuàng)建計(jì)算域模型。主要是利用DM中方便的布爾運(yùn)算功能。建立的計(jì)算域如圖4所示。為計(jì)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。計(jì)算域建立完畢后即進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，這里不詳細(xì)描述。3、UDF宏的編寫(xiě)利用文本編輯器編寫(xiě)UDF宏文件。如下：

11、#include "udf.h"DEFINE_SDOF_PROPERTIES(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*/pro

12、pSDOF_ZERO_TRANS_Z=TRUE; /*限制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)*/printf("nstage: updated 6dof properties");4、進(jìn)入FLUENT中設(shè)置在FLUENT中主要包括動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置。其他設(shè)置：瞬態(tài)計(jì)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(dòng)網(wǎng)格設(shè)置：（1）、激活sixDOF如圖5所示，進(jìn)入Dynamic Mesh面板，激活Dynamic Me

13、sh，勾選Remeshing選項(xiàng)及SixDOF項(xiàng)。（2）、動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置進(jìn)入mesh methods下的settings按鈕，進(jìn)入動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置。圖6、圖7分別為smoothing與Remeshing的設(shè)置。6DOF中的settings設(shè)置對(duì)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(shí)勾選write motion history項(xiàng)，記錄保存運(yùn)動(dòng)中幾何姿態(tài)。（3）、編譯加載UDF宏利用菜單【Define】>【user defined】>【function】>【Complied】編譯宏。（4）、設(shè)置動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置面板中，點(diǎn)擊【Create/Edit】按鈕定義動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域。需要設(shè)置的區(qū)域如圖10所示的紅色框選部分。圖10運(yùn)動(dòng)區(qū)域設(shè)置同時(shí)注意設(shè)置meshing Options標(biāo)簽頁(yè)下的網(wǎng)格高度。5、需要注意的問(wèn)題3D動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題，首先要注意的是負(fù)體積問(wèn)題。前面說(shuō)過(guò)，由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由受力狀態(tài)控制，在計(jì)算之前是未知的，所有調(diào)整動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)比較困難。不過(guò)仔細(xì)耐