Fluent動網(wǎng)格技術(shù)要點(diǎn)（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(jìn)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(shí)例進(jìn)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(xiàn);
##4.  使用動網(wǎng)格進(jìn)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(diǎn)。
1、簡介
動網(wǎng)格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運(yùn)動而隨時間改變的問題。邊界的運(yùn)動形式可以是預(yù)先定義的運(yùn)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(yùn)動,即邊界的運(yùn)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(yùn)動的方式并指定參予運(yùn)動的區(qū)域?？梢杂眠吔缧秃瘮?shù)或者UDF 定義邊界的運(yùn)動方式。FLUENT 要求將運(yùn)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(yùn)動與不運(yùn)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(jìn)行識別。那些由于周圍區(qū)域運(yùn)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(jìn)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(diǎn)間相互連接的彈簧。移動前的網(wǎng)格間距相當(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(dá)到新的平衡,也就是說由彈簧連接在一起的節(jié)點(diǎn),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(diǎn)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(diǎn)上的合力等于零的、新的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(kuò)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(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)動邊界,其他部分保持靜止,則只需在運(yùn)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(jìn)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(jìn)行動網(wǎng)格劃分,但是如果運(yùn)動邊界的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn),則這個網(wǎng)格就被標(biāo)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(jìn)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(diǎn)。
(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(shí)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(jìn)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(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整。在靜止網(wǎng)格區(qū)域則不進(jìn)行網(wǎng)格調(diào)整。
動網(wǎng)格問題中對于固體運(yùn)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(shí)現(xiàn)的運(yùn)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?fù)涫冀K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(dāng)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(yán)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)動的動畫過程,可以在Solution Animation(計算結(jié)果動畫)面板中進(jìn)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(jìn)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(fù)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(diǎn)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(yùn)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(biāo)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(diǎn)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(shí)際計算中應(yīng)該在0 到1 之間選擇一個適當(dāng)?shù)闹?。邊界點(diǎn)松弛因子用于控制動邊界上網(wǎng)格點(diǎn)的移動。當(dāng)這個值為零時,邊界節(jié)點(diǎn)不發(fā)生移動;在這個值為1 時,則邊界節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)移動計算的最大迭代次數(shù)。

3)動態(tài)層
在Layering(動態(tài)層)標(biāo)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(biāo)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(biāo)志需要重新劃分的網(wǎng)格。假設(shè)在某點(diǎn)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(biāo)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(dāng)alpha>0時,gamma=1+alpha*d_b^(1+2*beta)
當(dāng)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(zhǔn)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(fù)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(diǎn)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(yùn)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(dāng),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(diǎn),比Maximum Length Scale小一點(diǎn)。

5、定義動網(wǎng)格的運(yùn)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(yùn)動方式。在動網(wǎng)格區(qū)為剛體運(yùn)動時,可以用型函數(shù)和UDF 來定義其運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jìn)行刪除操作,最后點(diǎn)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(yùn)動類型。可供選擇的運(yùn)動類型包括Stationary(靜止)、Rigid Body(剛體運(yùn)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(diǎn)擊Create(創(chuàng)建)按鈕完成設(shè)置。

2)剛體運(yùn)動區(qū)域設(shè)置
如果被指定區(qū)域為剛體運(yùn)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(yùn)動屬性)標(biāo)簽下的Motion UDF/Profile(用UDF 或型函數(shù)定義運(yùn)動)中確定究竟用型函數(shù),還是UDF 來做運(yùn)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(yùn)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(diǎn)擊Create(創(chuàng)建)按鈕,完成設(shè)置。

3)變形運(yùn)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(diǎn))中定義平面上一點(diǎn),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(diǎn))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(dāng)?shù)暮瘮?shù)。
(3)在Remeshing Options(重劃選項)標(biāo)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(diǎn)擊Create(創(chuàng)建)按鈕完成設(shè)置。

4)用戶定義的運(yùn)動方式
對于同時存在運(yùn)動和變形的區(qū)域,只能使用UDF 來定義其運(yùn)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(yùn)動屬性)標(biāo)簽下,然后在Mesh Motion UDF(網(wǎng)格運(yùn)動UDF)下選擇相應(yīng)的UDF 函數(shù)。
(3)點(diǎn)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(bǔ)充資料:FLUENT三種動邊界控制實(shí)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(yùn)動,用戶把剛體質(zhì)心運(yùn)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(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)動, position就是運(yùn)動邊界上某網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置值,用戶可以通過對其賦值達(dá)到控制效果, position [0]對應(yīng)邊界節(jié)點(diǎn)的x坐標(biāo), position [1]對應(yīng)y 坐標(biāo), position [2]對應(yīng)z坐標(biāo); FLUENT自動遍歷所有的邊界節(jié)點(diǎn),因此適用于有規(guī)律的可以用函數(shù)描述的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動邊界上的節(jié)點(diǎn),并對其位置進(jìn)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(yùn)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(yùn)動)面板中進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)前時間將被顯示在Current Mesh Time(當(dāng)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(diǎn)擊Preview(預(yù)覽)按鈕開始預(yù)覽。
在定義了活塞運(yùn)動時,活塞運(yùn)動的預(yù)覽是在IC Zone Motion(活塞運(yùn)動)面板中實(shí)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(zhǔn)備預(yù)覽的網(wǎng)格區(qū)域。
(2)在IC Zone Motion(網(wǎng)格運(yùn)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(diǎn)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(yùn)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(shí)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(diǎn)擊Define(定義)按鈕進(jìn)入Define Event(定義事件)面板做詳細(xì)定義
(5)在Type(類型)下面選擇動網(wǎng)格運(yùn)動類型,可供選擇的運(yùn)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(yùn)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(yùn)動類型做進(jìn)一步設(shè)置,詳細(xì)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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(dāng)曲柄運(yùn)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(shí)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(zhǔn)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(yùn)動屬性)。可以用這個事件類型修改網(wǎng)格運(yùn)動類型。選擇了這個事件類型后,需要在Attribute(運(yùn)動屬性)中指定一種運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行活塞計算的設(shè)置中,需要妥善處理動網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系、活塞和閥門的運(yùn)動屬性、進(jìn)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(jìn)行設(shè)置,以保證計算能順利完成。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才