FLUENT動網格教程

1、FLUENT動網格教程摘自/dvbbs/dispbbs.asp?boardid=61&id=1396題記：在學習使用Fluent的時候，有不少朋友需要使用動網格模型(Dynamic Mesh Model)，因此，本版推出這個專題，進行大討論，使大家在使用動網格時盡量少走彎路，更快更好地掌握；也歡迎使用過的版友積極參與討論指導，謝謝！。該專題主要包括以下的主要內容：一、動網格的相關知識介紹；二、以NACA0012翼型俯仰振蕩實例進行講解動網格的應用過程；三、與動網格應用有關的參考文獻；四、使用動網格進行計算的一些例子。一、動網格的相關知識介紹有關動網

2、格基礎方面的東西，請具體參考FLUENT Users Guide或FLUENT全攻略的相關章節(jié)，這里只給出一些提要性的知識要點。1、簡介動網格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可以是預先定義的運動，即可以在計算前指定其速度或角速度；也可以是預先未做定義的運動，即邊界的運動要由前一步的計算結果決定。網格的更新過程由FLUENT 根據每個迭代步中邊界的變化情況自動完成。在使用動網格模型時，必須首先定義初始網格、邊界運動的方式并指定參予運動的區(qū)域?？梢杂眠吔缧秃瘮?shù)或者UDF定義邊界的運動方式。FLUENT 要求將運動的描述定義在網格面或網格區(qū)域上。如果流場中包含運

3、動與不運動兩種區(qū)域，則需要將它們組合在初始網格中以對它們進行識別。那些由于周圍區(qū)域運動而發(fā)生變形的區(qū)域必須被組合到各自的初始網格區(qū)域中。不同區(qū)域之間的網格不必是正則的，可以在模型設置中用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。2、動網格更新方法動網格計算中網格的動態(tài)變化過程可以用三種模型進行計算，即彈簧近似光滑模型(spring-based smoothing)、動態(tài)分層模型 （dynamic layering）局部重劃模型 （local remeshing）1）彈簧近似

4、光滑模型原則上彈簧光順模型可以用于任何一種網格體系，但是在非四面體網格區(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，可能使網格畸變率增大。另外，在系統(tǒng)缺省設置中，只有四面體網格（三維）和三角形網格（二維）可以使用彈簧光順法，如果想在其他網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。2）動態(tài)分層模型動態(tài)分層模型的應用有如下限制：（1）與運動邊界相鄰的網格必須為楔形或者六面體（二維四邊形）網格。（2）在滑動網格交界面以外的區(qū)

5、域，網格必須被單面網格區(qū)域包圍。（3）如果網格周圍區(qū)域中有雙側壁面區(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。如果移動邊界為內部邊界，則邊界兩側的網格都將作為動態(tài)層參與計算。如果在壁面上只有一部分是運動邊界，其他部分保持靜止，則只需在運動邊界上應用動網格技術，但是動網格區(qū)與靜止網格區(qū)之間應該用滑動網格交界面進行連接。3局部網格重劃模型需要注意的是，局部網格重劃模型僅能用于四面體網格和三角形網格。在定義了動邊界面以后，

6、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格必須滿足下列條件：（1）需要進行局部調整的表面網格是三角形（三維）或直線（二維）。（2）將被重新劃分的面網格單元必須緊鄰動網格節(jié)點。（3）表面網格單元必須處于同一個面上并構成一個循環(huán)。（4）被調整單元不能是對稱面（線）或正則周期性邊界的一部分。動網格的實現(xiàn)在FLUENT 中是由系統(tǒng)自動完成的。如果在計算中設置了動邊界，則FLUENT 會根據動邊界附近的網格類型，自動選擇動網格計算模型。如果動邊界附近采用的是四面體網格（三維）或三角形網格（二維），則FLUENT 會自動選擇彈簧光順模型和局部重劃模型對網格進行調整。如果是棱柱型網格，則

7、會自動選擇動態(tài)層模型進行網格調整。在靜止網格區(qū)域則不進行網格調整。動網格問題中對于固體運動的描述，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網格類型以及和要實現(xiàn)的運動來選擇的，很多時候都是幾種更新方法搭配起來使用的?？偨Y一下：使用彈簧近似光滑法網格拓撲始終不變，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，當計算區(qū)域變形較大

8、時，變形后的網格會產生較大的傾斜變形，從而使網格質量變差，嚴重影響計算精度。動態(tài)分層法在生成網格方面具有快速的優(yōu)勢，同時它的應用也受到了一些限制。它要求運動邊界附近的網格為六面體或楔形，這對于復雜外形的流場區(qū)域是不適合的。使用局部網格重劃法要求網格為三角形（二維）或四面體（三維），這對于適應復雜外形是有好處的，局部網格重劃法只會對運動邊界附近區(qū)域的網格起作用。3、動網格問題的建立設置動網格問題的步驟中需要注意的如下：在Solver（求解器）面板中選擇非定常流（unsteady）計算；設定邊界條件，即設定壁面運動速度；激活動網格模型，并設定相應參數(shù)；指定移動網格區(qū)域的運動參數(shù)；保存算例文件和數(shù)據

9、文件；預覽動網格設置，菜單操作為：Solve - Mesh Motion.；應用自動保存功能保存計算結果，在動網格計算中，因為每個計算步中網格信息都會改變，而網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)據文件；如果想建立網格運動的動畫過程，可以在Solution Animation（計算結果動畫）面板中進行相關設置。注：在這一步中，需要提醒一下，使用動網格進行正式計算之前，最好養(yǎng)成預覽動網格更新的習慣；就是在正式計算前，瀏覽一下動網格的更新情況，這樣可以避免在計算過程中出現(xiàn)動網格更新本身的問題。在預覽更新時，很多人都說會出現(xiàn)負體積的警告，更新不成功，出現(xiàn)這樣的問題時，最好先把時間

10、步長改的更小點兒試試，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，這需要結合所使用的更新方法多琢磨。4、設定動網格參數(shù)為了使用動網格模型，需要在dynamic mesh（動網格）面板中激活Dynamic Mesh（動網格）選項。如果計算的是活塞運動，則同時激活In-Cylinder（活塞）選項。然后選擇動網格模型，并設置相關參數(shù)。1）選擇網格更新模型在Mesh Methods（網格劃分方法）下面選擇Smothing（彈簧光順模型），Layering（動態(tài)層模型）和（或）Remshing（局部網格重劃模型）。2）設置彈簧光順參數(shù)激活彈簧光順模型，相關參數(shù)設置位于Smoot

11、hing（光順）標簽下，可以設置的參數(shù)包括Spring Constant Factor（彈簧彈性系數(shù)）、Boundary Node Relaxation（邊界點松弛因子）、Convergence Tolerance（收斂判據）和Number of Iterations（迭代次數(shù)）。彈簧彈性系數(shù)應該在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，靠近壁面的網格沒有被改變，而是保持了原來的網格形狀和密度；在彈性系數(shù)等于1 時，彈簧系統(tǒng)的耗散過程與缺省設置相同，從圖中可以發(fā)現(xiàn)壁面發(fā)生變形，壁面附近網格因為過度加密而質量下降。因此在實際計算中應該在0 到1 之間選擇一個適

12、當?shù)闹?。邊界點松弛因子用于控制動邊界上網格點的移動。當這個值為零時，邊界節(jié)點不發(fā)生移動；在這個值為1 時，則邊界節(jié)點的移動計算中不采用松弛格式。在大多數(shù)情況下，這個值應該取為0 到1 之間的一個值，以保證邊界節(jié)點以合適的移動量發(fā)生移動。收斂判據就是網格節(jié)點移動計算中，迭代計算的判據。迭代次數(shù)是指網格節(jié)點移動計算的最大迭代次數(shù)。3）動態(tài)分層在Layering（動態(tài)分層）標簽下，可以設置與動態(tài)層模型相關的參數(shù)。通過設定Constant Height（常值高度）與Constant Ratio（常值比例）可以確定分解網格的兩種方法。Split Factor（分割因子）和Collapse Factor（

13、合并因子）則分別為上面介紹的alpha_s和alpha_c。4）局部網格重新劃分網格在Remeshing（重劃網格）標簽下，設置與局部重劃模型相關的參數(shù)?？梢栽O置的參數(shù)包括Maximum Cell Skewness（最大畸變率）、Maximum Cell Volume（最大網格體積）和Minimum Cell Volume（最大網格體積），其含義如前所述，主要用于確定哪些網格需要被重新劃分。在缺省設置中，如果重新劃分的網格優(yōu)于原網格，則用新網格代替舊網格；否則，將保持原網格劃分不變。如果無論如何都要采用新網格的話，則可以在Options（選項）下面選擇Must Improve Skewness

14、（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，則還可以用網格尺寸分布函數(shù)標志需要重新劃分的網格。假設在某點附近的理想網格尺寸為L，而某個網格的尺寸為L，如果：L不屬于0.8*gamma*L，1.25*gamma*L則網格被標志為需要重新劃分的網格，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alpha0時，gamma=1+alpha*d_b(1+2*beta)當alpha Mesh Motion.預覽操作步驟如下：（1）在參數(shù)設置完畢后，首先保存算例（case）文件。因為與網格設置有關的記錄都保存在算例文件中，在預覽過

15、程中伴隨著網格的更新，與網格有關的記錄也不斷被刷新，如果不進行保存，則無法恢復原始設置狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)參數(shù)設置問題后就無法進行更改了。（2）設置迭代時間步數(shù)和時間步長。在計算過程中，當前時間將被顯示在Current Mesh Time（當前網格時間）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）和曲柄轉動步長（crank angel step size）計算得出。（3）為了在圖形窗口中預覽網格變化過程，需要激活Display Options（顯示選項）下的Display Grid（顯示網格），并在Display Frequency（顯示頻率）中設置顯示頻率，即

16、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）點擊Preview（預覽）按鈕開始預覽。在定義了活塞運動時，活塞運動的預覽是在IC Zone Motion（活塞運動）面板中實現(xiàn)的，激活這個面板的菜單操作為：Display - IC Zone Motion.預覽操作的具體步驟為：（1）在Display Grid（顯示網格）面板中選擇準備預覽的網格區(qū)域。（2）在IC Zone Motion（網格運動）面板中，設置曲柄角度增量（Increment）和迭代步數(shù)（Number of Steps）。（3）點擊Preview（預覽）按鈕開始預覽。注：在

17、動網格的建立內容中，已經說到了預覽動網格在整個計算之中的重要性，請參考。二、以NACA0012翼型俯仰振蕩實例進行講解動網格的應用過程首先需要聲明的是，這個例子也是來源于網絡，原作者不詳，在此向他表示感謝。1、問題描述 本例是想對作簡諧振蕩運動的NACA0012翼型的氣動特性（升力系數(shù)，阻力系數(shù)和力矩系數(shù)）進行數(shù)值計算，來流速度為V， 攻角的變化規(guī)律為： Alpha（t）=A/2*sin(omega*t) 其中，A=10度，omega=10*pi 弧度/秒。2、該例需要使用動網格來實現(xiàn)，首先需要編寫剛體運動UDF實現(xiàn)翼型的俯仰運動，由于在FLUENT的UDF中只能指定速度，角速度；所以，需要將

18、攻角對時間求導，得到轉動角速度的規(guī)律： D（alpha）/dt=A*omega/2*cos(omega*t) 編寫的UDF在附件中。3、由于本例只是為了講述動網格的實現(xiàn)，至于其他方面的設置及分析就不再討論；這里詳細講述下動網格的建立以及動網格的預覽的結果。步驟如下： 1）將mesh文件讀入到FLUENT中，Grid：check，scale，Smooth/Swap；Display Grid； 2）定義求解器為，Define：pressure-based，2D，unsteady，Implicit，Green-Gauss Node Based（因本例使用的是三角形單元）. 3）編譯UDF，Defin

19、e-User-Defined-Functions-Complied 此時打開了Complied UDFs的窗口，Add在選擇UDF的對話框中找到NACA0012DM文件夾中的airfoil.c文件，選中，ok；此時返回到Complied UDFs的窗口點擊Build，F(xiàn)LUENT開始進行編譯，可以在FLUENT窗口看到編譯的一些過程提示；等編譯完成，點擊Load；就將已經編譯好的UDF加載到FLUENT中了。4）定義動網格參數(shù)，Define-Dynamic Mesh（選勾，激活動網格模型）-Parameters 此時打開了Dynamic Mesh Parameters 窗口，在Models中只

20、選取Dynamic Mesh，本例的網格類型為三角形單元，要實現(xiàn)的運動為小幅度的轉動，因此選用的動網格更新方法為Smoothing+Remeshing；開始依次對這兩種更新方法進行參數(shù)設定： Smoothing中的參數(shù)設定： Spring Constant Factor（彈簧倔強系數(shù)），該值設定為一個較小的值，在0.01到0.1之間，本例選取0.08； Boundary Node Relaxation（邊界節(jié)點松弛），設定為0.5； Convergence Tolerance（收斂判據），保持默認的0.001； Number of Iterations（迭代次數(shù)），保持默認的20； Remes

21、hing中的參數(shù)設定： 為了得到較好的網格更新，本例在使用局部網格重新劃分方法時，使用尺寸函數(shù)，也就是Remeshing+Must Improve Skewness+Size Function的策略。將Minimum Length Scale及Maximum Length Scale均設置為0，為了使所有的區(qū)域都被標記重新劃分； Maximum Cell Skewness（最大單元畸變），參考Mesh Scale Info中的參考值0.51，將其設定為0.4，以保證更新后的單元質量； Size Remesh Interval（依照尺寸標準重新劃分的間隔），將這個值設定為1，在FLUENT，不滿

22、足最大網格畸變的網格在每個時間步都會被標記，而后重新劃分，而不滿足最小，最大及尺寸函數(shù)的網格，只有在Current Time=（Size Remesh Interval）*delta t的時候，才根據這些尺寸的標準標記不合格的單元進行重新劃分，為了保證每步的更新質量，將其修改為1，就是每個時間都根據尺寸的標準標記及更新網格。Size Function Resolution（尺寸函數(shù)分辨率），保持默認的3； Size Function Variation（尺寸函數(shù)變量）：建議使用一個小值，在0.1到0.5之間，本例將其設置為0.3； Size Function Rate（尺寸函數(shù)變化率），保持默

23、認的0.3。5）定義動網格區(qū)域，Define-Dynamic Mesh-Zones 此時打開了Dynamic Mesh Zones窗口，本例是使用UDF控制翼型上下邊的剛體運動，因此，在Zone Names的下拉菜單中選中airfoil的邊界，在Type中選擇Rigid Body，而編譯好的airfoil UDF已經在Motion UDF/Profile中了，不用管它；在Center of Gravity Location中定義剛體重心的初始位置（在這里其實該坐標就是轉動點坐標，翼型繞這個點俯仰，本應該設定在1/4弦線點，但由于不清楚模型情況，在此讓翼型繞原點俯仰。）；Center of Gr

24、avity Orientation定義重力在慣性系中的方向，均保持默認，這兩項如果需要跟蹤物體運動的質心位置變化規(guī)律則比較有用，如在6DOF中，這里由于不清楚模型情況，保持默認。Meshing Options中Cell Height設定為0.001，用于定義局部網格重新劃分時與邊界相鄰網格的理想尺寸，由于不知道網格劃分間距，大致填寫。到此，動網格已經定義完成，接下來，預覽動網格更新情況。6）預覽動網格，Solve-Mesh Motion設置Time Step Size（時間步長）為0.001秒，Number of Time Steps（時間步數(shù)）設置為400，之后點擊Preview就可以看動網

25、格的更新情況了。初始網格如圖：經0.02秒后的網格：經0.1秒后的網格：經0.17秒后的網格：由以上的圖可以看出，此次網格更新的質量很好，可以用于計算。4、關于計算的其他設置，不再介紹。相關NACA0012DM Cas和UDF.rar 點擊瀏覽該文件:三、與動網格應用有關的參考文獻；1、FLUENT Training Lectures：Dynamic Mesh Case Studies.pdf： 點擊瀏覽該文件:Moving Deforming Mesh for Non-automotive Applications in Fluent 6.0.ppt：點擊瀏覽該文件:2、FLUENT全攻略動

26、網格.pdf： 點擊瀏覽該文件:3、FLUENT NewsDynamic Mesh.pdf： 點擊瀏覽該文件:4、FLUENT動網格相關的期刊論文.rar： 點擊瀏覽該文件:包括以下文章： 內燃機缸內氣體CFD瞬態(tài)分析中動態(tài)網格劃分技術導彈發(fā)射過程數(shù)值模擬用動網格方法模擬導彈發(fā)射過程中的燃氣射流流場運動邊界問題流場仿真技術的發(fā)展魚類波狀擺動推進的數(shù)值模擬動網格技術在二維非結構網格中的實現(xiàn)動網格技術在橋梁斷面振動繞流問題中的應用動網格生成技術粘性流場中擺動尾鰭的水動力性能分析液壓錐閥內部運動流場的數(shù)值模擬方柱非定常繞流與渦激振動的數(shù)值模擬不同截面形狀柱體風致振動的CFD數(shù)值模擬黏性流場中二維擺動

27、水翼的水動力分析橋梁氣動導數(shù)的數(shù)值計算 5、FLUENT動網格相關的學位論文包含運動邊界的多體非定常流場數(shù)值模擬方法研究：點擊瀏覽該文件:車用四氣門汽油機氣道及缸內氣體流動狀態(tài)的研究： 點擊瀏覽該文件:地鐵列車活塞風數(shù)值模擬： 點擊瀏覽該文件:二維單圓柱雙圓柱繞流問題和三維垂蕩板運動的數(shù)值模擬：點擊瀏覽該文件:非結構動網格生成方法研究：點擊瀏覽該文件:非結構動網格下非定常氣動力計算和嗡鳴研究：點擊瀏覽該文件:非結構動網格在多介質流體中的應用研究：點擊瀏覽該文件:公路風吹雪雪害仿真技術研究：點擊瀏覽該文件:含動邊界的燃氣射流數(shù)值模擬：點擊瀏覽該文件:機彈分離數(shù)值仿真研究：點擊瀏覽該文件:機載多管

28、火箭沖擊流場數(shù)值模擬：點擊瀏覽該文件:基于非結構動網格的非定常氣動力計算：點擊瀏覽該文件:深水立管渦激振動的耦合模擬及抑制方法研究：點擊瀏覽該文件:新型二沖程微型擺式內燃機流場的數(shù)值模擬計算與分析：點擊瀏覽該文件:旋轉彈丸導彈馬格努斯效應數(shù)值計算研究： 點擊瀏覽該文件:粘性對船舶橫剖面垂向運動水動力的影響研究：點擊瀏覽該文件:粘性流場中擺動尾鰭的水動力分析：點擊瀏覽該文件:6、Dynamic Mesh經典帖子集天我把論壇上關于Dynamic Mesh的帖子主題搜索整理了一下，比較經典的帖子都轉成了mht格式的