Fluent 动网格模型：模拟流动情况与网格重构的详细解析

Fluent 动网格模型：模拟流动情况与网格重构的详细解析

在 中，动态网格模型可以用来模拟由于水域边界的移动而导致水域形状随时间变化的流动情况。在求解过程中必须重构动态网格，例如汽车发动机中的气缸运动和阀门的打开。关闭、机翼运动、飞机投掷炸弹等。

CFD中的移动网格一般分为两类：（1）明确指定的网格节点速度。结合瞬态时间，可以很容易地获得位移。当然，一些求解器（例如 ）也支持稳态动态网格，在这种情况下可以直接指定节点位移。 (2)求解得到网格节点速度。例如6DOF模型基本上就属于这一类。用户将力转换为加速度，然后将其积分为速度。

在 中，移动网格涉及：

(1)运动的定义。主要移动文件和UDF中的网格宏。

(2)网格更新。国内网格更新的方法有三种：网格平滑、动态层、网格重构。有必要详细了解这些网格更新方法的运行机制、每个参数的具体含义和设置方法以及每个方法的适用范围。

移动网格最重要的挑战来自于网格更新的质量。避免负体积是移动网格调试的主要目标。努力提高运动更新网格的质量，同时避免负网格。

拉格朗日网格（实体有限元计算）

网格

欧拉网格（流体计算）

示例：定义运动

一、参数说明

本例中使用的场景来自于流体中高速飞行的物体。比如子弹、火箭、导弹等。这只是为了说明在移动网格运动定义中的应用，所以为了计算方便，没有考虑高速问题。问题描述如下：

图1（1为运动刚体，2为计算域）

图2

计算说明：由于不考虑刚体的变形是不可能的，所以在构造区域时，通过布尔运算去掉了1中的部分。计算域总长度为300mm，其中固体运动的最大位移为：

300-40-30-6mm=224mm。

为了防止实体边界与计算域边界重叠，我们将最大运动距离设置为200mm。移动速度v=0.4t，因此可以将完成200mm的移动所需时间计算为1s。取的五个时间数据点分别为：0、0.25、0.5、0.75、1s，对应的速度为：0、0.1、0.2、0.3、0.4 m/s。

文件如下：

((5 0)

（时间 0 0.25 0.5 0.75 1）

(v_x 0 0.1 0.2 0.3 0.4))

说明：在记事本中写入以下格式并保存为.txt文本。其中，是文件名，表示瞬态，5是点数，表示所取的速度和时间变化，这里是5点； time后面的一位是该取点的时间值； x后面的为拍摄点的x坐标； v_x为取点x方向速度；取的5个点形成速度与时间的线性关系，如图2所示。

注意：虽然瞬态文件可以在一定程度上定义网格运动，但它们有一些缺点。最重要的缺点存在于以下几个方面：

(1)连续运动无法准确定义。它使用离散点值进行插值。如果想要获得更精确的运动定义，则必须定义许多点。

(2) 在某些情况下无法使用。如稳态动态网格。

中定义网格运动，使用了较多的UDF宏，这里不再详细描述。详细的例子可以在UDF手册p182-p188中找到。

二.操作步骤

1. 将计算域离散化为网格

在 ICEM CFD 中，计算域被离散化为网格。由于三角形网格非常适合 2D 移动网格，因此本例中使用三角形网格。要使用四边形网格，需要进行滑移面处理。详细说明将留给未来的网格更新。同样，不执行边界层处理。

为了简化问题描述，将周围区域设置为墙面，中间区域设置为刚性墙（如图3所示），并将其设置在移动网格中。全局网格尺寸为2mm，运动边界网格尺寸为1mm。

图3 零件设置

网格单元总数为：19698

节点总数：9845

两个操作步骤

1 启动14.5求解器

双击桌面上的图标，打开启动对话框，如图4所示，选择2D求解器，勾选双精度选项，点击确定启动14.5。

图4

2 初始设置

找到并选择grid msh文件，完成导入grid文件的操作。检查并修改单位，单击面板中的“缩放”，确保使用的单位为毫米，如下图所示。单击“检查”检查网格质量。注意，它应该大于0。

图5

设置求解器。由于稳态情况在动态网格应用中很少见，因此选择瞬态求解器并使用其他选项的默认设置，如下图所示。

图6

3选择湍流模型

在面板中选择标准ke湍流模型，如下图所示。

图7

4设定流体物理性质

在面板中选择air，打开材质设置对话框，如下图所示。将液体材料改为水。具体操作如下。

在名称列中输入水。

在属性栏中输入流体的物理属性，如下所示：

密度1000

动力粘度0.01

等压比热4182

导热系数0.6

单击/在弹出的对话框中单击“否”；该操作会将名为水的流体添加到材质选择列表中，可以在材质列表中查看，同时保留系统默认的流体空气。

单击关闭

图8

5 设置边界条件

设置工作流体为水，即设置Cell Zone并设置默认域介质为水。具体操作如下。

选择“Zone”列中的“Edit”，编辑默认域设置，打开“Fluid”设置对话框，如下图所示。

在名称下拉列表中选择水。

单击“确定”关闭材料选择对话框。

图9

由于本例使用全封闭计算域且所有边界类型均为墙，因此可以使用默认设置。将编辑好的轮廓文件（）导入，具体操作如下。

单击选择面板中的选项，打开设置对话框，如下所示。

单击“读取”，在文件类型中选择“所有文件”，然后选择要保存为文本文档的文件。

单击“应用”关闭设置对话框。

图10

6 种动态网格设置

6.1 Mesh（网格更新方法）

在“网格”面板中找到“网格”选项，然后选中“激活移动网格”选项。检查 Mesh 目录中的 , 选项。各选项的参数设置如下图所示。

在 中，有两种网格平滑方法，弹簧平滑和离散平滑模型。激活弹簧平滑模型。相关参数设置位于（平滑）标签下。可设置的参数包括（弹簧弹性系数）、Node（边界点松弛因子）、（迭代精度）和of（迭代次数）。

弹簧常数因子：取值范围[0, 1]。该值可用于调整弹簧刚度。值为 0 表示弹簧之间没有阻尼，边界运动将影响更多内部节点。该参数默认值为1。实际应用中，如果发现移动边界附近网格堆积严重，可以适当减小该参数，以分散位移。

边界点松弛因子：更新网格位置时使用的参数。取值范围为[0, 1]。 0 表示没有网格节点保持不变，1 表示不使用松弛。该参数默认为1。调整该参数可以控制每次网格更新的节点位置。通常默认值就足够了。

迭代精度：通过求解平衡方程得到网格节点位移值。该参数是控制方程的求解精度。一般保持默认值即可。

迭代次数：与迭代精度具有相同的效果。用于平衡方程的解控制。迭代方程如下。通常该参数可以保留为默认值。

这里不再详细描述扩散平滑方法，仅简单描述其适应性：它可以应用于任何类型的移动或变形网格；扩散平滑方法比弹簧平滑计算成本更高（隐式求解扩散方程，而弹簧平滑显式计算节点位移），但可以获得更好的网格质量（特别是对于非四面体/非三角形网格和多面体网格）；更适合平移运动；扩散平滑法与边界层平滑法和表面积重建法是不兼容的。

在（动态图层）选项卡下，可以设置动态图层模型的相关参数。 Split（分割因子）和（合并因子）与Mesh Zones中的Cell相关，定义了其乘积下的分割和合并属性。

在（重新网格化）选项卡下，设置与局部重新网格化模型相关的参数。 ANSYS包含多种网格重建方法，主要包括以下几种：局部单元重建、局部区域重建、局部区域重建（仅适用于3D）、面积重建、域重建（仅适用于3D）和2.5D曲面重建（3D中） 。网格重建方法适用于以下网格类型：

(1)局部网格和局部曲面重构方法仅对区域内的三角形和四面体网格有效。 （例如，在混合网格区域中，非三角形/四面体网格将被忽略）

（2）区域重建方法将用三角形四面体网格（分别在2D和3D区域中）替换所有其他类型的网格，并在3D边界层中生成楔形和棱柱形网格。

(3) 面积重建方法仅适用于2D 中的三角形网格和3D 模型中的四面体网格。并且可以在 3D 边界层中生成楔形/棱柱形网格。

(4)切割单位面积重建方法对所有网格类型都有效。

(5) 2.5D重建方法仅对六面体网格或三角形挤压形成的楔形/棱柱形单元有效。

其他可以设置的参数还有Cell（最大畸变率）、Cell（最大网格体积）和Cell（最大网格体积），主要用于确定哪些网格需要重新划分。 Mesh Scale Info用于在设置时参考网格内的参数。在默认设置下，如果重新网格比原来的网格更好，则用新网格替代旧网格；否则，原网格保持不变。如果您仍然想使用新的网格，可以选择（选项）下的必须选项。如果激活下面的尺寸功能（选项），还可以使用网格尺寸分布功能来标记需要重新划分的网格。

对于 3D 模型，有三种选项：内、六自由度等。其中in-用于发动机气缸模拟，六自由度主要用于流体作用于刚体，预测刚体运动。用于设置网格更新方式。默认使用显式模式，勾选此选项可将网格设置为隐式更新。

6.2 动态网格域

在Mesh Zones中定义运动区域，即将中间刚体墙定义为刚体。具体操作如下。

单击/Edit选项，打开Mesh Zones设置对话框，如下图所示。

在区域名称下选择刚性墙，在类型下选择刚体。

在 中，将单元格中的值设置为 1mm。

单击并关闭网格区域设置对话框。

图11

该动态网格字段用于定义网格运动的区域和类型。介质网格运动的主要类型包括：静止、刚体运动、变形区域、用户定义域、耦合域（按顺序）。

网格在静止域中移动期间，区域内的节点位置保持不变。虽然默认情况下不设置区域运动，该区域是静止的，但在某些情况下仍然需要显式地将某些区域设置为静止域，特别是在处理与刚体域连接的一些区域时。

刚体运动域：这是移动网格中最常见的运动类型。通过指定刚体的速度或位移来控制运动。

变形域：边界运动引起的节点变形。变形域通常与刚体域相连。

自定义域：用户可以使用UDF定义自己需要的域

耦合域：节点位移由耦合求解器计算。在流固耦合计算中，耦合面通常设置为耦合域类型。

6.3 网格预览

单击“网格”以设置预览网格移动。具体操作如下。

单击“网格”选项打开设置对话框。

设置时间步长和步数。具体设置如下图所示。

设置完成后，点击 。

图15

注意：这一步需要提醒的是，在使用移动网格进行正式计算之前，最好养成预览移动网格更新的习惯；即在正式计算之前浏览移动网格的更新状态，以避免计算过程中出现动态网格更新本身的问题。预览更新时，很多人说会出现负音量警告，更新不成功。当出现这样的问题时，最好尝试将时间步改为更小的尺寸。一般来说，排除UDF本身更新错误的原因，都与时间步有关，需要结合所使用的更新方法来考虑。在预览动态网格之前保存动态网格设置，这会导致预览后的计算结果不可逆转。

7设置其他选项

对于不稳定问题，建议使用PISO算法。时间步长设置为0.01，计算步数设置为100。面板中的设置这里不再详细介绍。