利用6DOF模型計(jì)算小球自空氣中跌落水中

FLUENT中提供了6DOF模型,用于計(jì)算剛體在流體域空間的運(yùn)動(dòng)行為。該模型除了可以計(jì)算剛體模型的平移旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)規(guī)律之外,還可以實(shí)時(shí)計(jì)算剛體模型的受力、加速度以及速度。配合FLUENT強(qiáng)大的動(dòng)網(wǎng)格能力,利用6DOF模型能夠模擬真實(shí)世界中的諸多現(xiàn)象。本例采用6DOF模型,配合VOF多相流模型,計(jì)算木制小球自空氣中墜入水中的過(guò)程。觀察小球墜落過(guò)程中流場(chǎng)變化情況,同時(shí)監(jiān)測(cè)小球重心的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1、模型考慮

真實(shí)模型是三維的,這里為了方便起見(jiàn),采用二維模型考慮。所涉及的技術(shù)內(nèi)容完全一致。幾何模型如圖1所示。

圖1幾何尺寸及模型圖2網(wǎng)格

模型尺寸如圖1所示。單位為mm。在CAD軟件中統(tǒng)計(jì)小球信息得到:

重心坐標(biāo)(0,0,0),慣性矩Ixx = 2010619mm^4,Iyy=2010619mm^4,Izz=4021238.5mm^4,面積A=5026.548mm^2。對(duì)于平面模型計(jì)算,fluent默認(rèn)拉伸厚度為1m,假設(shè)小球密度800kg/m^3,因此可以計(jì)算小球質(zhì)量mass=800*5026.548e-6=4.021kg。

2、劃分網(wǎng)格

在ICEM CFD中生成全三角形計(jì)算網(wǎng)格,如圖2所示。設(shè)定上部邊界為pressure_outlet,矩形上其它三條邊為walls,小球邊界為movingWall。(此處可以生成邊界層網(wǎng)格,然后將邊界層網(wǎng)格添加至另外的計(jì)算域,讓該區(qū)域跟隨movingwall一起運(yùn)動(dòng))。然后將模型導(dǎo)出為msh文件。

3、準(zhǔn)備UDF

UDF比較簡(jiǎn)單,如下所示。采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏,給質(zhì)量及三方向慣性矩賦值即可。

#include "udf.h"

DEFINE_SDOF_PROPERTIES(test_box, prop, dt, time, dtime)

{

prop[SDOF_MASS] = 4.021;

prop[SDOF_IXX] = 2010619e-12;

prop[SDOF_IYY] = 2010619e-12;

prop[SDOF_IZZ] = 4021238e-12;

}

編譯并load此UDF。

4、sacle計(jì)算域

Fluent讀入msh文件,scale網(wǎng)格設(shè)定合適的單位。將網(wǎng)格尺寸及顯示尺寸均設(shè)為mm。如圖3所示。

圖3 Scale Mesh

5、General面板設(shè)置

設(shè)置Time為瞬態(tài)Transient,同時(shí)激活重力選項(xiàng),設(shè)置重力加速度為Y方向-9.81m/s2。如圖4所示。

圖4 general面板設(shè)置

6、模型面板設(shè)置

設(shè)置VOF多相流模型,如圖5所示。設(shè)置body force formulation為Implicit Body Force。

圖5多相流模型

選擇湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon模型,采用增強(qiáng)壁面函數(shù)。

6、材料

材料數(shù)據(jù)庫(kù)中添加water-liquid。

設(shè)置水為主相,空氣為第二相。如圖6所示。

7、邊界條件設(shè)置

本例中需要設(shè)置的邊界條件為出口邊界。該邊界設(shè)置為壓力出口,靜壓為0。如圖6所示。

圖6出口邊界設(shè)置

同時(shí)設(shè)置出口第二相組分為1.即出口全部為空氣。

8、動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

激活動(dòng)網(wǎng)格。在Dynamic mesh面板中,激活smoothing與Remeshing方法,同時(shí)勾選Six DOF選項(xiàng)。如圖7所示。

圖7動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置

點(diǎn)擊Mesh Methods的Settings進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置面板,在smoothing標(biāo)簽頁(yè)下設(shè)置Spring Constant Factor為0.5,進(jìn)入remeshing標(biāo)簽頁(yè),進(jìn)行圖8所示設(shè)置。

圖8 remeshing設(shè)置

關(guān)閉mesh method settings面板,進(jìn)入six dof setting面板。進(jìn)行如圖9所示設(shè)置。

圖9 6DOF設(shè)置

勾選Write Motion History,這樣運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)即可寫(xiě)入文本文件。

設(shè)置完畢后關(guān)閉6DOF設(shè)置面板。

創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)區(qū)域,如圖10所示,指定運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)閙oving wall,勾選six dof options中的on選項(xiàng)。

圖10創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)域

進(jìn)入meshing options標(biāo)簽頁(yè),設(shè)置cell height為3mm,點(diǎn)擊create創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)區(qū)域。

圖12設(shè)置網(wǎng)格高度

設(shè)置完畢后,保存case與data文件。

9、設(shè)置操作條件

進(jìn)入cell zone conditions中的operation conditions,在彈出的operating conditions面板中設(shè)置參考密度為1.225,其他參數(shù)保持默認(rèn)即可。如圖13所示。

圖13設(shè)置操作條件

10、求解參數(shù)設(shè)定

本例為演示,因此采用默認(rèn)選項(xiàng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中,可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

11、初始化

設(shè)置初始空氣體積分?jǐn)?shù)為1,即整個(gè)計(jì)算域中全為空氣,后面我們利用patch將水添加進(jìn)去。如圖14所示。

圖14初始化

12、Patch水

先要標(biāo)記水所在的區(qū)域。點(diǎn)擊菜單Adapt > regions,進(jìn)行如圖15所示設(shè)置。

圖15區(qū)域設(shè)置

點(diǎn)擊mark進(jìn)行標(biāo)記。

進(jìn)入patch對(duì)話框,進(jìn)行如圖16所示設(shè)置。

圖16 patch水位

13、其他設(shè)置

可以設(shè)置自動(dòng)保存cas及dat文件,同時(shí)可以定義動(dòng)畫(huà)文件,由于這些是基本操作,因此不再贅述。

14、計(jì)算設(shè)定

設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)time size為0.001s,時(shí)間步數(shù)time step為3000,即計(jì)算3s情況。

設(shè)置內(nèi)迭代數(shù)量為30,然后進(jìn)行計(jì)算。

15、計(jì)算結(jié)果