FLUENT動網(wǎng)格技術(shù)簡介

1、FLUENT動網(wǎng)格簡介在固體有限元計算中，網(wǎng)格運動實非什么稀奇事兒。而且在絕多數(shù)固體計算的基本物理量是網(wǎng)格的節(jié)點位移，所以，固體計算中，網(wǎng)格節(jié)點運動是對的，沒有運動反而不正常了。也可以這么說：正因為計算域內(nèi)部節(jié)點間的相對運動，才導致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。流體計算與固體完全不同。其根源在于它們使用的網(wǎng)格類型不同。當前固體有限元計算采用的是拉格朗日網(wǎng)格，而流體計算則大多數(shù)采用的歐拉網(wǎng)格。如果說把拉格朗日網(wǎng)格中的節(jié)點點看作是真實世界的物質(zhì)原子的話，那么歐拉網(wǎng)格的節(jié)點則好比是真實世界中的一個個傳感器，它們總是呆在相同的位置，真實的記錄著各自位置上的物理量。正常情況下，歐拉網(wǎng)格系統(tǒng)是這樣的：計算域和節(jié)點保持位

2、置不變，發(fā)生變化的是物理量，網(wǎng)格節(jié)點就像一個個布置在計算域中的傳感器，記錄該位置上的物理量。這其實是由流體力學研究方法所決定的。宏觀與微觀的差異決定了固體力學計算采用拉格朗日網(wǎng)格，流體計算采用歐拉網(wǎng)格。關(guān)于這部分的詳細解說，可以參閱任何一本計算流體動力學書籍。世界是公平的。有利必有弊。朗格朗日網(wǎng)格適合計算節(jié)點位移，然而對于過大的網(wǎng)格變形卻難以處理。歐拉網(wǎng)格生來可以處理大變形（因為節(jié)點不動），然而對于對于節(jié)點運動的處理，則是其直接軟肋。然而很不幸的是，現(xiàn)實生活中有太多網(wǎng)格邊界運動的實例。如汽車發(fā)動機中的氣缸運動、閥門開啟與關(guān)閉、機翼的運動、飛機投彈等等等等舉不勝舉。計算流體動力學計算的基本物理量

3、通常為：速度、溫度、壓力、組分。并不計算網(wǎng)格節(jié)點位移。因此要讓網(wǎng)格產(chǎn)生運動，通常給節(jié)點施加的物理約束是速度。CFD中的動網(wǎng)格大體分為兩類：（1）顯式規(guī)定的網(wǎng)格節(jié)點速度。配合瞬態(tài)時間，即可很方便的得出位移。當然一些求解器（如FLUENT）也支持穩(wěn)態(tài)動網(wǎng)格，這時候可以直接指定節(jié)點位移。（2）網(wǎng)格節(jié)點速度是通過求解得到的。如6DOF模型基本上都屬于此類。用戶將力換算成加速度，然后將其積分成速度。對于第一類動網(wǎng)格問題，在fluent中通?？梢允褂胮rofile與UDF進行網(wǎng)格設(shè)置，通過規(guī)定節(jié)點或區(qū)域的速度、角速度或位移等方式來顯式確定網(wǎng)格的運動，通常大部分的動網(wǎng)格問題都歸于此類。而對于第二類問題，通常

4、涉及到力的計算，力在流體中通常是對壓力進行積分而來。將力轉(zhuǎn)換為速度或位移，一般涉及到加速度、轉(zhuǎn)動慣量等物理量的計算。在fluent中，可以使用6DOF模型進行處理，在CFX中，可以使用剛體模型（13.0以上版本才有）。在FLUENT中，動網(wǎng)格涉及的內(nèi)容包括：（1）運動的定義。主要是PROFILE文件與UDF中的動網(wǎng)格宏。（2）網(wǎng)格更新。FLUENT中關(guān)于網(wǎng)格更新方法有三種：網(wǎng)格光順、動態(tài)層、網(wǎng)格重構(gòu)。需要詳細了解這些網(wǎng)格更新方法的運作機理，每個參數(shù)所代表的具體含義及設(shè)置方法，每種方法的適用范圍。動網(wǎng)格的最在挑戰(zhàn)來自于網(wǎng)格更新后的質(zhì)量，避免負體積是動網(wǎng)格調(diào)試的主要目標。在避免負網(wǎng)格的同時，努力提

5、高運動更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。FLUENT動網(wǎng)格之彈簧光順與擴散光順FLUENT中的網(wǎng)格光順（smoothing）主要采用兩種方法：彈簧光順與擴散光順。其中彈簧光順包含有：彈簧光順、邊界層光順、拉普拉斯光順。擴散光順分為：基于壁面距離的擴散光順與基于單元體積的擴散光順。一、彈簧/拉普拉斯/邊界層光順1、彈簧光順需要設(shè)置的參數(shù)主要有四個參數(shù)需要設(shè)置：Spring Constant Factor（彈簧常數(shù)因子），Boundary Node Relaxation（邊界節(jié)點松弛），Convergence Tolerance（收斂精度），Number of Iterations（迭代次數(shù)）。如圖中橙色框選部分

6、。2、各參數(shù)作用彈簧常數(shù)因子：取值范圍0，1。可以通過該值來調(diào)整彈簧剛度的大小。該值為0表示彈簧間沒有阻尼，邊界運動會影響到更多的內(nèi)部節(jié)點。該參數(shù)的默認值為1。在實際應(yīng)用中，若發(fā)現(xiàn)運動邊界附近網(wǎng)格堆積嚴重，可適當調(diào)小此參數(shù)，將位移擴散出去。邊界節(jié)點松弛：網(wǎng)格位置更新時使用的參數(shù)。取值范圍0，1。0表示沒有進行網(wǎng)格節(jié)點保持不變，1表示不使用松弛處理。該參數(shù)默認為1。調(diào)整該參數(shù)可以控制每次網(wǎng)格更新的節(jié)點位置。通常使用默認值即可。迭代精度：網(wǎng)格節(jié)點位移值是通過求解平衡方程得到的。本參數(shù)即控制方程的求解精度。一般保持默認值。迭代次數(shù)：與迭代精度作用相同。用于平衡方程的求解控制。迭代方程如下。通常該參數(shù)

7、保持默認即可。3、彈簧光順方法的適應(yīng)性（譯自用戶手冊）（1）適用于任何變形或運動的單元或面域。更適用于四面體/三角形網(wǎng)格（2）在非四面體/三角形網(wǎng)格域中，建議在以下一些情況下使用彈簧光順方法：（a）邊界運動在某一方向上具有明顯優(yōu)勢（b）運動主要沿運動邊界的法向方向。其它的非四邊形/非四面體網(wǎng)格域（尤其是多面體網(wǎng)格域），建議使用擴散光順方法。注意：默認情況下，在非四面體/四邊形網(wǎng)格上，彈簧光順方法是關(guān)閉的。用戶可以使用TUI命令激活：define dynamic-mesh controls smoothing-paramters spring-on-all-shapes?二、擴散光順1、擴散光順

8、擴散光順是通過求解擴散方程來獲得網(wǎng)格節(jié)點的位移的。只有一個參數(shù)需要設(shè)置：擴散參數(shù)。擴散系數(shù)是通過擴散參數(shù)得到的。如下兩公式求得擴散系數(shù)。與，式中的d為壁面正則距離，v為正則體積。用戶可以通過TUI命令設(shè)置迭代次數(shù)與收斂精度。通常很少進行設(shè)置。define dynamic-mesh controls smoothing-parameters max-iterdefine dynamic-mesh controls smoothing-parameters relative-convergence-tolerance2、基于壁面距離的網(wǎng)格擴散光順基于壁面距離的擴散光順允許用戶將邊界網(wǎng)格運動擴散至內(nèi)

9、部節(jié)點的規(guī)律定義為壁面距離的函數(shù)。減少遠離運動邊界的擴散能夠使這些區(qū)域吸收更多的網(wǎng)格運動，同時更好的保持運動壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量。用戶可以通過調(diào)整diffusion parameter來控制網(wǎng)格擴散，該參數(shù)的取值范圍0，2。該參數(shù)默認為0，意味著擴散參數(shù)為1，也即整個計算域采用相同程度的擴散。擴散參數(shù)越大，則更多的保持近壁面網(wǎng)格，遠離運動邊界的位置將吸收更多的網(wǎng)格運動。對于邊界旋轉(zhuǎn)運動，通常將擴散參數(shù)設(shè)置為1.5默認情況下，fluent使用標準壁面距離。該方法使用最近的壁面邊界進行正則化。請注意此方法是不包括其它邊界類型（如inlet,outlet,symmetry,周期邊界等），只使用wall

10、壁面邊界。用戶可以使用generalized“壁面距離，該方法使用一切未聲明為變形的邊界，而不管邊界的類型。兩種方法均使用所有變形網(wǎng)格區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的最大距離進行正則化。用戶可以使用TUI命令設(shè)置fluent使用廣義邊界：definedynamic-meshcontrolssmoothing-parametersboundary-distance-method3、基于單元體積的網(wǎng)格擴散光順 允許用戶將邊界運動擴散至內(nèi)部區(qū)域定義為單元尺寸的函數(shù)。在大網(wǎng)格上減小擴散助于使這些網(wǎng)格吸收更多的網(wǎng)格變形，能更好的保持小體積單元的網(wǎng)格質(zhì)量。 與基于壁面距離的網(wǎng)格擴散相同，用戶也可通過調(diào)整擴散參數(shù)來控制擴散系數(shù)

11、。默認擴散參數(shù)為0表示采用統(tǒng)一的擴散。更大的擴散參數(shù)將會使更大的體積的網(wǎng)格吸收更多的變形。 擴散參數(shù)取值范圍：0，24、擴散光順方法的適應(yīng)性 能夠應(yīng)用于任何類型的運動或變形網(wǎng)格。 擴散光順方法比彈簧光順計算開銷要大（隱式求解擴散方程。而彈簧光順是顯式計算節(jié)點位移），但是能夠得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量（特別是對于非四面體/非三角形網(wǎng)格及多面體網(wǎng)格）。 更適合于平移運動。 擴散光順方法與邊界層光順方法及面區(qū)域重構(gòu)方法不兼容。FLUENT動網(wǎng)格之幾何重構(gòu)對于三角形或四面體風格區(qū)域，通常都會使用到彈簧光順方法。然而當邊界位移遠大于局部網(wǎng)格尺寸時，網(wǎng)格質(zhì)量會下降甚至會出現(xiàn)退化的網(wǎng)格單元。這可能會使網(wǎng)格實效（出現(xiàn)

12、負體積網(wǎng)格），并因此導致計算收斂問題。為什么彈簧光順方法會導致此類問題？主要原因在于：彈簧光順方法并不將網(wǎng)格質(zhì)量作為網(wǎng)格更新的判斷因素，而只是單純的將邊界運動作為參數(shù)擴散至計算域中。為了解決此問題，ANSYS FLUENT將這些超出網(wǎng)格偏斜度或尺寸標準的網(wǎng)格收集起來，并在這些網(wǎng)格或面上局部進行網(wǎng)格重構(gòu)。若新網(wǎng)格單元質(zhì)量達到網(wǎng)格質(zhì)量標準，則進行網(wǎng)格重構(gòu)，否則，新網(wǎng)格將會被丟棄。ANSYS FLUENT包含有很多種網(wǎng)格重構(gòu)方法，主要有以下幾種：局部單元重構(gòu)、局部區(qū)域重構(gòu)、局部面重構(gòu)（只用于3D）、面域重構(gòu)、cutcell域重構(gòu)（僅3D）以及2.5D面重構(gòu)（3D中）。網(wǎng)格重構(gòu)方法適合于以下網(wǎng)格類型：

13、（1）局部網(wǎng)格及局部面重構(gòu)方法只對區(qū)域中的三角形及四面體網(wǎng)格有效。（例如混合網(wǎng)格區(qū)域中，非三角形/四面體網(wǎng)格將會被忽略）（2）區(qū)域重構(gòu)方法會將其它所有類型網(wǎng)格替換為三角形四面體網(wǎng)格（分別在2D及3D區(qū)域中），并且在3D邊界層中生成楔形、棱柱形網(wǎng)格。（3）面域重構(gòu)方法在2D中只用于三角形網(wǎng)格，在3D模型中只用于四面體網(wǎng)格。并且在3D邊界層中能夠產(chǎn)生楔形/棱柱形網(wǎng)格。（4）切割單元區(qū)域重構(gòu)方法能夠?qū)λ芯W(wǎng)格類型有效。（5）2.5D重構(gòu)方法只在六面體網(wǎng)格或由三角形拉伸形成的楔形/棱柱型單元上有效。網(wǎng)格重構(gòu)方法主要包含以下幾個參數(shù)：如下圖所示。（1）minimum length scale：最小網(wǎng)格尺

14、寸，當網(wǎng)格尺寸小于該尺寸時，網(wǎng)格將會被合并。（2）maximum length scale：最大網(wǎng)格尺寸。當網(wǎng)格尺寸大于該尺寸時，網(wǎng)格將會分裂。（3）maximum cell skewness：當網(wǎng)格歪斜度超出設(shè)定的尺寸時，網(wǎng)格會進行重構(gòu)。（4）maximum face skewness：該參數(shù)只在3D模型中有效，與單元歪斜度類似（5）size remeshing interval：設(shè)置網(wǎng)格重構(gòu)間隔，通常時間步有關(guān)系。FLUENT的動網(wǎng)格設(shè)置Fluent的動網(wǎng)格設(shè)置，主要是通過dynamic mesh面板進行設(shè)置。動網(wǎng)格面板如下圖所示。主要包括兩部分內(nèi)容：（1）Mesh Methods （2）

15、 Dynamic Mesh Zones。另外還包括網(wǎng)格域運動預覽及網(wǎng)格運動預覽。整個動網(wǎng)格面板通過勾選Dynamic Mesh選項而激活。1、Mesh Methods（網(wǎng)格更新方法）該部分主要用于網(wǎng)格或網(wǎng)格域在運動過程中，設(shè)置計算域中網(wǎng)格節(jié)點位置更新方法。fluent中有三種主要網(wǎng)格更新方法：（1）網(wǎng)格光順方法（2）動態(tài)層方法（3）網(wǎng)格重構(gòu)。對于3D模型，還包括in-cylinder、six-dof、Implicit Update三種選項。其中in-cyliner用于發(fā)動機氣缸模擬，six-dof主要用于流體作用于剛體，預測剛體運動。implicit update用于設(shè)定網(wǎng)格更新方式。默認采用顯式方式，勾選此選項可設(shè)定網(wǎng)格以隱式方式更新。2、動態(tài)網(wǎng)格域用于定義網(wǎng)格運動的區(qū)域及運動類型。FLUENT中網(wǎng)格運動類型主要有：靜止、剛體運動、變形區(qū)域、用