ansys教學(xué)算例集基于layering動(dòng)網(wǎng)格方法的絕熱壓縮和膨脹過程分析

1、基于Layering動(dòng)網(wǎng)格方法的絕熱壓縮和膨脹過程分析算例來源：自制算例制作：崔亮算例校核：關(guān) 鍵 詞：摘要本算例使用ANSYS Fluent 19.1軟件中的Layering動(dòng)網(wǎng)格方法，對(duì)絕熱壓縮和膨脹過程進(jìn)行仿真。文檔內(nèi)包含詳細(xì)的網(wǎng)格導(dǎo)入、模型選擇、材料物性、邊界條件、求解參數(shù)和后處理的設(shè)置。通過仿真計(jì)算獲得瞬態(tài)的絕熱壓縮和膨脹過程結(jié)果。案例描述本算例仿真的模型如下圖所示，是一個(gè)圓柱形的計(jì)算域，頂部的面靜止不動(dòng)，底部的面向上運(yùn)動(dòng)，壓縮計(jì)算域內(nèi)的空氣，到達(dá)上止點(diǎn)后再向下運(yùn)動(dòng)，膨脹計(jì)算域內(nèi)的空氣。由于本算例中使用Layering動(dòng)網(wǎng)格方法，因此在網(wǎng)格生成時(shí)，即將發(fā)生網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的區(qū)域需要使用層狀的

2、規(guī)則網(wǎng)格，例如三角形表面網(wǎng)格均勻拉伸形成的楔形體網(wǎng)格。創(chuàng)建工作目錄并啟動(dòng)Fluent在硬盤上創(chuàng)建英文名稱的文件夾（例如Dynamic_Mesh_Layering），將網(wǎng)格文件layering.msh.gz和隨時(shí)間變化的底面位移數(shù)據(jù)表格bottom-motion-layering.ttab拷貝至該目錄下。啟動(dòng)Fluent 19.1，在Fluent Launcher中，Dimension選擇3D，Display Options中勾選Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，Options中勾選Double Precision，Process

3、ing Options選擇Parallel，設(shè)置使用4個(gè)Processes并行計(jì)算（用戶可以根據(jù)現(xiàn)有的硬件資源和License授權(quán)酌情選擇合適的并行數(shù)），更改Working Directory路徑至該網(wǎng)格文件目錄下，點(diǎn)擊OK啟動(dòng)Fluent 19.1。導(dǎo)入網(wǎng)格文件菜單中點(diǎn)擊【File】【Read】【Mesh】，選取網(wǎng)格文件layering.msh.gz，點(diǎn)擊OK導(dǎo)入網(wǎng)格。此時(shí)，圖形界面中可以查看導(dǎo)入的網(wǎng)格。General一般設(shè)置在最左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Setup】【General】，在Time中選擇Transient。General一般設(shè)置（續(xù)）樹中點(diǎn)擊【Setup】【General】【

4、Mesh】【Scale】，Scaling選擇Convert Units，Mesh Was Created In從下拉菜單中選擇mm，點(diǎn)擊Scale對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行縮放。注意Scale按鈕只能點(diǎn)擊一次，不能重復(fù)點(diǎn)擊。縮放完成后，在Domain Extents中查看當(dāng)前模型的尺寸范圍是否正確。General一般設(shè)置（續(xù)）樹中點(diǎn)擊【Setup】【General】【Mesh】【Check】，F(xiàn)luent開始對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，以米制為單位列出模型在XYZ各方向的尺寸范圍，并報(bào)告出網(wǎng)格中可能存在的問題。注意重點(diǎn)關(guān)注最小體積（minimum volume）的數(shù)值，確保其為正值，因?yàn)镕luent無法對(duì)負(fù)體積的網(wǎng)格進(jìn)行

5、計(jì)算。Models模型設(shè)置在最左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Setup】【Models】，進(jìn)行物理模型設(shè)置。樹中【Setup】【Models】【Energy】，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊Energy，選擇On；或者鼠標(biāo)左鍵雙擊Energy，在彈出的菜單中勾選Energy Equation，點(diǎn)擊OK完成設(shè)置。Models模型設(shè)置（續(xù)）在最左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Setup】【Materials】，進(jìn)行材料物性設(shè)置。在Materials的Task Page中點(diǎn)擊【Fluid】【Air】【Create/Edit】，在彈出的Create/Edit Materials窗口中，Density選擇ideal-gas，其它參

6、數(shù)保留默認(rèn)的設(shè)置。點(diǎn)擊Change/Create，再點(diǎn)擊Close關(guān)閉Create/Edit Materials窗口。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置讀入隨時(shí)間變化的底面運(yùn)動(dòng)規(guī)律的位移數(shù)據(jù)表格bottom-motion-layering.ttab，其中的數(shù)據(jù)內(nèi)容如下圖所示，橫坐標(biāo)是計(jì)算時(shí)間，縱坐標(biāo)是底面的Z方向的位移數(shù)據(jù)。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置（續(xù)）在菜單中點(diǎn)擊【Setting Up Physics】【Zones】【Profiles】，彈出Profiles窗口，點(diǎn)擊Read按鈕，讀入bottom-motion-layering.ttab文件。點(diǎn)擊Close關(guān)閉Profiles窗口

7、。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置（續(xù)）在最左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Setup】【Dynamic Mesh】，進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)置。在Dynamic Mesh的Task Page中，勾選Dynamic Mesh激活動(dòng)網(wǎng)格功能，在Mesh Methods中，取消選擇Smoothing，勾選Layering，點(diǎn)擊Settings按鈕，彈出Mesh Method Settings窗口，在Layering選項(xiàng)卡中，保留默認(rèn)的設(shè)置，點(diǎn)擊OK關(guān)閉Mesh Method Settings窗口。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置（續(xù)）在Dynamic Mesh Zones中，點(diǎn)擊Create/Edit按鈕，彈

8、出Dynamic Mesh Zones窗口，在Zone Names中選擇bottom，Type選擇Rigid Body，Motion Attributes標(biāo)簽卡中的Motion UDF/Profile選擇bottom-motion-layering；切換到Meshing Options選項(xiàng)卡中，Cell Height中輸入0.005，點(diǎn)擊Create按鈕，再點(diǎn)擊Close按鈕關(guān)閉Dynamic Mesh Zones窗口。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置（續(xù)）點(diǎn)擊Display Zone Motion按鈕，彈出Zone Motion窗口，在Time Control中，Start Time輸入0

9、，Time Step輸入0.0002，Number of Steps輸入100，Dynamic Face Zones中選中bottom，點(diǎn)擊Preview可以預(yù)覽bottom邊界的運(yùn)動(dòng)是否正確。預(yù)覽完成后，可以點(diǎn)擊Reset按鈕進(jìn)行復(fù)位。點(diǎn)擊Close關(guān)閉Zone Motion窗口。Dynamic Mesh動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置（續(xù)）需要注意的是，在Display Zone Motion中所預(yù)覽的，只是bottom邊界的運(yùn)動(dòng)，并沒有真正執(zhí)行動(dòng)網(wǎng)格的過程，因此只能用來判斷邊界運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和位置是否正確，無法得知在動(dòng)網(wǎng)格開始執(zhí)行后，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)體積等錯(cuò)誤。如果要預(yù)覽整個(gè)動(dòng)網(wǎng)格的執(zhí)行過程，需要使用Preview

10、Mesh Motion按鈕，特別需要提醒的是，在開始使用Preview Mesh Motion按鈕之前，需要將當(dāng)前的cas文件進(jìn)行保存，因?yàn)閯?dòng)網(wǎng)格一旦開始執(zhí)行，網(wǎng)格發(fā)生了變化便無法復(fù)位回到初始時(shí)刻的網(wǎng)格狀態(tài)，只能通過重新讀入已經(jīng)保存的cas文件回到初始時(shí)刻的網(wǎng)格狀態(tài)。Solution Methods求解方法設(shè)置在最左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Solution】【Methods】，進(jìn)行求解方法的設(shè)置。Pressure-Velocity Coupling中的Scheme保留默認(rèn)的SIMPLE，保留默認(rèn)的Spatial Discretization。Report Definitions報(bào)告定義設(shè)置在最

11、左側(cè)的樹中，鼠標(biāo)左鍵雙擊【Solution】【Report Definitions】，進(jìn)行報(bào)告定義的設(shè)置。接下來創(chuàng)建計(jì)算域內(nèi)平均溫度值的報(bào)告，并隨著計(jì)算的進(jìn)行監(jiān)視該值的變化。在彈出的Report Definitions窗口中，鼠標(biāo)左鍵依次點(diǎn)擊【New】【Volume Report】【Volume-Average】。在新彈出的Volume Report Definition窗口中，Name修改為temperature-avg，F(xiàn)ield Variable修改為Temperature Static Temperature，Cell Zones中選擇fluid，Create中勾選Report Plo

12、t和Print to Console。點(diǎn)擊OK完成設(shè)置。點(diǎn)擊Close關(guān)閉Report Definitions窗口。Initialization初始化樹中【Solution】【Initialization】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Initialization，在Task Page中的Initialization Methods選擇為Standard Initialization，Initial Values中的Gauge Pressure、X Velocity、Y Velocity和Z Velocity都輸入0，Temperature輸入300，點(diǎn)擊Initialize按鈕進(jìn)行初始化。Run Calcu

13、lation運(yùn)行計(jì)算在開始瞬態(tài)計(jì)算之前，先定義并設(shè)置好需要輸出的溫度云圖。首先，創(chuàng)建通過中心位置的平面切面，本算例中使用Plane的方式創(chuàng)建，也可以使用Iso-Surface的方式創(chuàng)建。在菜單中點(diǎn)擊【Postprocessing】【Surface】【Create】【Plane】，彈出Plane Surface窗口，在Options中勾選Point and Normal，在Points的x0中輸入0，y0和z0保留默認(rèn)值，Normal的ix中輸入1，iy中輸入0，iz中輸入0，New Surface Name中輸入x-plane，點(diǎn)擊Create按鈕生成通過中心位置的平面切面。再點(diǎn)擊Close關(guān)

14、閉Plane Surface窗口。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）樹中【Results】【Graphics】【Mesh】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Mesh，彈出Mesh Display窗口，在Options中勾選Edges，取消選擇Faces，Coloring選擇Manual，Edges的顏色選擇black，Surfaces選擇bottom、side和top，點(diǎn)擊Save/Display按鈕，并將視角調(diào)整到合適的位置，顯示網(wǎng)格。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）樹中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Contours，彈出Contours窗口，在O

15、ptions中勾選Filled和Node Values，取消選擇Global Range、Auto Range和Clip to Range，Coloring選擇Smooth，Contours of選擇Temperature Static Temperature，Min中輸入300，Max中輸入700，Surfaces選擇x-plane，點(diǎn)擊Save/Display按鈕，顯示中心切面的溫度云圖。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）樹中【Solution】【Calculation Activities】【Solution Animations】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Solution Animati

16、ons，彈出Animation Definition窗口，在Name中輸入animation-mesh，在Record after every中輸入5，每間隔5個(gè)時(shí)間步輸出一次圖片。在Window Id中輸入3，在Animation Object中選擇mesh-1，在Animation View中點(diǎn)擊Use Active，自動(dòng)將當(dāng)前的視角保存為view-0，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉Animation Definition窗口。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）樹中【Solution】【Calculation Activities】【Solution Animations】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Sol

17、ution Animations，彈出Animation Definition窗口，在Name中輸入animation-temperature，在Record after every中輸入5，每間隔5個(gè)時(shí)間步輸出一次圖片。在Window Id中輸入4，在Animation Object中選擇contour-1，在Animation View中選擇view-0，點(diǎn)擊OK按鈕關(guān)閉Animation Definition窗口。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）菜單中點(diǎn)擊【File】【W(wǎng)rite】【Case & Data】，在Case/Data File中輸入文件名layering-init

18、.cas.gz，點(diǎn)擊OK保存初始時(shí)刻的Case和Data。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）樹中【Solution】【Run Calculation】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Run Calculation，在Time Step Size中輸入0.0002，在Number of Time Steps中輸入100。點(diǎn)擊Calculate運(yùn)行計(jì)算。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）計(jì)算開始后，可以看到計(jì)算域中的平均溫度值隨著時(shí)間變化的曲線。Run Calculation運(yùn)行計(jì)算（續(xù)）計(jì)算完成后，菜單中點(diǎn)擊【File】【W(wǎng)rite】【Case & Data】，在Case/Data File中

19、輸入文件名layering-final.cas.gz，點(diǎn)擊OK保存最終時(shí)刻的Case和Data。瞬態(tài)結(jié)果Post-processing后處理在最左側(cè)的樹中，使用【Results】中的相關(guān)工具，對(duì)瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理。樹中【Results】【Animations】【Solution Animation Playback】，鼠標(biāo)左鍵雙擊Solution Animation Playback，彈出Playback窗口，在Playback中通過拖動(dòng)Frame右側(cè)的滑塊或點(diǎn)擊左右箭頭，調(diào)整到合適的幀顯示。由于之前在Solution Animations中定義的是每間隔5個(gè)時(shí)間步輸出一幀，瞬態(tài)計(jì)算共進(jìn)行了100個(gè)時(shí)間步，因此一共有20幀圖。例如將滑塊拖動(dòng)到第2幀時(shí)，顯示出的就是第10個(gè)時(shí)間步的結(jié)果，由于使用的時(shí)間步長是0.0002秒，因此也既是0.002秒時(shí)刻的結(jié)果。在Animation Sequences中