FLUENT動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)簡(jiǎn)介

1、FLUENT動(dòng)網(wǎng)格簡(jiǎn)介在固體有限元計(jì)算中，網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)實(shí)非什么稀奇事兒。而且在絕多數(shù)固體計(jì)算的基本物理量是網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)位移，所以，固體計(jì)算中，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)是對(duì)的，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)反而不正常了。也可以這么說(shuō)：正因?yàn)橛?jì)算域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，才導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。流體計(jì)算與固體完全不同。其根源在于它們使用的網(wǎng)格類型不同。當(dāng)前固體有限元計(jì)算采用的是拉格朗日網(wǎng)格，而流體計(jì)算則大多數(shù)采用的歐拉網(wǎng)格。如果說(shuō)把拉格朗日網(wǎng)格中的節(jié)點(diǎn)點(diǎn)看作是真實(shí)世界的物質(zhì)原子的話，那么歐拉網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)則好比是真實(shí)世界中的一個(gè)個(gè)傳感器，它們總是呆在相同的位置，真實(shí)的記錄著各自位置上的物理量。正常情況下，歐拉網(wǎng)格系統(tǒng)是這樣的：計(jì)算域和節(jié)點(diǎn)保持位

2、置不變，發(fā)生變化的是物理量，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)就像一個(gè)個(gè)布置在計(jì)算域中的傳感器，記錄該位置上的物理量。這其實(shí)是由流體力學(xué)研究方法所決定的。宏觀與微觀的差異決定了固體力學(xué)計(jì)算采用拉格朗日網(wǎng)格，流體計(jì)算采用歐拉網(wǎng)格。關(guān)于這部分的詳細(xì)解說(shuō)，可以參閱任何一本計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)書(shū)籍。世界是公平的。有利必有弊。朗格朗日網(wǎng)格適合計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移，然而對(duì)于過(guò)大的網(wǎng)格變形卻難以處理。歐拉網(wǎng)格生來(lái)可以處理大變形（因?yàn)楣?jié)點(diǎn)不動(dòng)），然而對(duì)于對(duì)于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的處理，則是其直接軟肋。然而很不幸的是，現(xiàn)實(shí)生活中有太多網(wǎng)格邊界運(yùn)動(dòng)的實(shí)例。如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中的氣缸運(yùn)動(dòng)、閥門開(kāi)啟與關(guān)閉、機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)、飛機(jī)投彈等等等等舉不勝舉。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算的基本物理量

3、通常為：速度、溫度、壓力、組分。并不計(jì)算網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移。因此要讓網(wǎng)格產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，通常給節(jié)點(diǎn)施加的物理約束是速度。CFD中的動(dòng)網(wǎng)格大體分為兩類：（1）顯式規(guī)定的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度。配合瞬態(tài)時(shí)間，即可很方便的得出位移。當(dāng)然一些求解器（如FLUENT）也支持穩(wěn)態(tài)動(dòng)網(wǎng)格，這時(shí)候可以直接指定節(jié)點(diǎn)位移。（2）網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)速度是通過(guò)求解得到的。如6DOF模型基本上都屬于此類。用戶將力換算成加速度，然后將其積分成速度。對(duì)于第一類動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題，在fluent中通?？梢允褂胮rofile與UDF進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置，通過(guò)規(guī)定節(jié)點(diǎn)或區(qū)域的速度、角速度或位移等方式來(lái)顯式確定網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)，通常大部分的動(dòng)網(wǎng)格問(wèn)題都?xì)w于此類。而對(duì)于第二類問(wèn)題，通常

4、涉及到力的計(jì)算，力在流體中通常是對(duì)壓力進(jìn)行積分而來(lái)。將力轉(zhuǎn)換為速度或位移，一般涉及到加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等物理量的計(jì)算。在fluent中，可以使用6DOF模型進(jìn)行處理，在CFX中，可以使用剛體模型（13.0以上版本才有）。在FLUENT中，動(dòng)網(wǎng)格涉及的內(nèi)容包括：（1）運(yùn)動(dòng)的定義。主要是PROFILE文件與UDF中的動(dòng)網(wǎng)格宏。（2）網(wǎng)格更新。FLUENT中關(guān)于網(wǎng)格更新方法有三種：網(wǎng)格光順、動(dòng)態(tài)層、網(wǎng)格重構(gòu)。需要詳細(xì)了解這些網(wǎng)格更新方法的運(yùn)作機(jī)理，每個(gè)參數(shù)所代表的具體含義及設(shè)置方法，每種方法的適用范圍。動(dòng)網(wǎng)格的最在挑戰(zhàn)來(lái)自于網(wǎng)格更新后的質(zhì)量，避免負(fù)體積是動(dòng)網(wǎng)格調(diào)試的主要目標(biāo)。在避免負(fù)網(wǎng)格的同時(shí)，努力提

5、高運(yùn)動(dòng)更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。FLUENT動(dòng)網(wǎng)格之彈簧光順與擴(kuò)散光順FLUENT中的網(wǎng)格光順（smoothing）主要采用兩種方法：彈簧光順與擴(kuò)散光順。其中彈簧光順包含有：彈簧光順、邊界層光順、拉普拉斯光順。擴(kuò)散光順?lè)譃椋夯诒诿婢嚯x的擴(kuò)散光順與基于單元體積的擴(kuò)散光順。一、彈簧/拉普拉斯/邊界層光順1、彈簧光順需要設(shè)置的參數(shù)主要有四個(gè)參數(shù)需要設(shè)置：Spring Constant Factor（彈簧常數(shù)因子），Boundary Node Relaxation（邊界節(jié)點(diǎn)松弛），Convergence Tolerance（收斂精度），Number of Iterations（迭代次數(shù)）。如圖中橙色框選部分

6、。2、各參數(shù)作用彈簧常數(shù)因子：取值范圍0，1?？梢酝ㄟ^(guò)該值來(lái)調(diào)整彈簧剛度的大小。該值為0表示彈簧間沒(méi)有阻尼，邊界運(yùn)動(dòng)會(huì)影響到更多的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。該參數(shù)的默認(rèn)值為1。在實(shí)際應(yīng)用中，若發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)邊界附近網(wǎng)格堆積嚴(yán)重，可適當(dāng)調(diào)小此參數(shù)，將位移擴(kuò)散出去。邊界節(jié)點(diǎn)松弛：網(wǎng)格位置更新時(shí)使用的參數(shù)。取值范圍0，1。0表示沒(méi)有進(jìn)行網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)保持不變，1表示不使用松弛處理。該參數(shù)默認(rèn)為1。調(diào)整該參數(shù)可以控制每次網(wǎng)格更新的節(jié)點(diǎn)位置。通常使用默認(rèn)值即可。迭代精度：網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位移值是通過(guò)求解平衡方程得到的。本參數(shù)即控制方程的求解精度。一般保持默認(rèn)值。迭代次數(shù)：與迭代精度作用相同。用于平衡方程的求解控制。迭代方程如下。通常該參數(shù)

7、保持默認(rèn)即可。3、彈簧光順?lè)椒ǖ倪m應(yīng)性（譯自用戶手冊(cè)）（1）適用于任何變形或運(yùn)動(dòng)的單元或面域。更適用于四面體/三角形網(wǎng)格（2）在非四面體/三角形網(wǎng)格域中，建議在以下一些情況下使用彈簧光順?lè)椒ǎ海╝）邊界運(yùn)動(dòng)在某一方向上具有明顯優(yōu)勢(shì)（b）運(yùn)動(dòng)主要沿運(yùn)動(dòng)邊界的法向方向。其它的非四邊形/非四面體網(wǎng)格域（尤其是多面體網(wǎng)格域），建議使用擴(kuò)散光順?lè)椒āＷ⒁猓耗J(rèn)情況下，在非四面體/四邊形網(wǎng)格上，彈簧光順?lè)椒ㄊ顷P(guān)閉的。用戶可以使用TUI命令激活：define dynamic-mesh controls smoothing-paramters spring-on-all-shapes?二、擴(kuò)散光順1、擴(kuò)散光順

8、擴(kuò)散光順是通過(guò)求解擴(kuò)散方程來(lái)獲得網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移的。只有一個(gè)參數(shù)需要設(shè)置：擴(kuò)散參數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)是通過(guò)擴(kuò)散參數(shù)得到的。如下兩公式求得擴(kuò)散系數(shù)。與，式中的d為壁面正則距離，v為正則體積。用戶可以通過(guò)TUI命令設(shè)置迭代次數(shù)與收斂精度。通常很少進(jìn)行設(shè)置。define dynamic-mesh controls smoothing-parameters max-iterdefine dynamic-mesh controls smoothing-parameters relative-convergence-tolerance2、基于壁面距離的網(wǎng)格擴(kuò)散光順基于壁面距離的擴(kuò)散光順允許用戶將邊界網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散至內(nèi)

9、部節(jié)點(diǎn)的規(guī)律定義為壁面距離的函數(shù)。減少遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)邊界的擴(kuò)散能夠使這些區(qū)域吸收更多的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，同時(shí)更好的保持運(yùn)動(dòng)壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量。用戶可以通過(guò)調(diào)整diffusion parameter來(lái)控制網(wǎng)格擴(kuò)散，該參數(shù)的取值范圍0，2。該參數(shù)默認(rèn)為0，意味著擴(kuò)散參數(shù)為1，也即整個(gè)計(jì)算域采用相同程度的擴(kuò)散。擴(kuò)散參數(shù)越大，則更多的保持近壁面網(wǎng)格，遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)邊界的位置將吸收更多的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)。對(duì)于邊界旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通常將擴(kuò)散參數(shù)設(shè)置為1.5默認(rèn)情況下，fluent使用標(biāo)準(zhǔn)壁面距離。該方法使用最近的壁面邊界進(jìn)行正則化。請(qǐng)注意此方法是不包括其它邊界類型（如inlet,outlet,symmetry,周期邊界等），只使用wall

10、壁面邊界。用戶可以使用generalized“壁面距離，該方法使用一切未聲明為變形的邊界，而不管邊界的類型。兩種方法均使用所有變形網(wǎng)格區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的最大距離進(jìn)行正則化。用戶可以使用TUI命令設(shè)置fluent使用廣義邊界：definedynamic-meshcontrolssmoothing-parametersboundary-distance-method3、基于單元體積的網(wǎng)格擴(kuò)散光順 允許用戶將邊界運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散至內(nèi)部區(qū)域定義為單元尺寸的函數(shù)。在大網(wǎng)格上減小擴(kuò)散助于使這些網(wǎng)格吸收更多的網(wǎng)格變形，能更好的保持小體積單元的網(wǎng)格質(zhì)量。 與基于壁面距離的網(wǎng)格擴(kuò)散相同，用戶也可通過(guò)調(diào)整擴(kuò)散參數(shù)來(lái)控制擴(kuò)散系數(shù)

11、。默認(rèn)擴(kuò)散參數(shù)為0表示采用統(tǒng)一的擴(kuò)散。更大的擴(kuò)散參數(shù)將會(huì)使更大的體積的網(wǎng)格吸收更多的變形。 擴(kuò)散參數(shù)取值范圍：0，24、擴(kuò)散光順?lè)椒ǖ倪m應(yīng)性 能夠應(yīng)用于任何類型的運(yùn)動(dòng)或變形網(wǎng)格。 擴(kuò)散光順?lè)椒ū葟椈晒忭樣?jì)算開(kāi)銷要大（隱式求解擴(kuò)散方程。而彈簧光順是顯式計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移），但是能夠得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量（特別是對(duì)于非四面體/非三角形網(wǎng)格及多面體網(wǎng)格）。 更適合于平移運(yùn)動(dòng)。 擴(kuò)散光順?lè)椒ㄅc邊界層光順?lè)椒懊鎱^(qū)域重構(gòu)方法不兼容。FLUENT動(dòng)網(wǎng)格之幾何重構(gòu)對(duì)于三角形或四面體風(fēng)格區(qū)域，通常都會(huì)使用到彈簧光順?lè)椒?。然而?dāng)邊界位移遠(yuǎn)大于局部網(wǎng)格尺寸時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)下降甚至?xí)霈F(xiàn)退化的網(wǎng)格單元。這可能會(huì)使網(wǎng)格實(shí)效（出現(xiàn)

12、負(fù)體積網(wǎng)格），并因此導(dǎo)致計(jì)算收斂問(wèn)題。為什么彈簧光順?lè)椒〞?huì)導(dǎo)致此類問(wèn)題？主要原因在于：彈簧光順?lè)椒ú⒉粚⒕W(wǎng)格質(zhì)量作為網(wǎng)格更新的判斷因素，而只是單純的將邊界運(yùn)動(dòng)作為參數(shù)擴(kuò)散至計(jì)算域中。為了解決此問(wèn)題，ANSYS FLUENT將這些超出網(wǎng)格偏斜度或尺寸標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格收集起來(lái)，并在這些網(wǎng)格或面上局部進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)。若新網(wǎng)格單元質(zhì)量達(dá)到網(wǎng)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)，否則，新網(wǎng)格將會(huì)被丟棄。ANSYS FLUENT包含有很多種網(wǎng)格重構(gòu)方法，主要有以下幾種：局部單元重構(gòu)、局部區(qū)域重構(gòu)、局部面重構(gòu)（只用于3D）、面域重構(gòu)、cutcell域重構(gòu)（僅3D）以及2.5D面重構(gòu)（3D中）。網(wǎng)格重構(gòu)方法適合于以下網(wǎng)格類型：

13、（1）局部網(wǎng)格及局部面重構(gòu)方法只對(duì)區(qū)域中的三角形及四面體網(wǎng)格有效。（例如混合網(wǎng)格區(qū)域中，非三角形/四面體網(wǎng)格將會(huì)被忽略）（2）區(qū)域重構(gòu)方法會(huì)將其它所有類型網(wǎng)格替換為三角形四面體網(wǎng)格（分別在2D及3D區(qū)域中），并且在3D邊界層中生成楔形、棱柱形網(wǎng)格。（3）面域重構(gòu)方法在2D中只用于三角形網(wǎng)格，在3D模型中只用于四面體網(wǎng)格。并且在3D邊界層中能夠產(chǎn)生楔形/棱柱形網(wǎng)格。（4）切割單元區(qū)域重構(gòu)方法能夠?qū)λ芯W(wǎng)格類型有效。（5）2.5D重構(gòu)方法只在六面體網(wǎng)格或由三角形拉伸形成的楔形/棱柱型單元上有效。網(wǎng)格重構(gòu)方法主要包含以下幾個(gè)參數(shù)：如下圖所示。（1）minimum length scale：最小網(wǎng)格尺

14、寸，當(dāng)網(wǎng)格尺寸小于該尺寸時(shí)，網(wǎng)格將會(huì)被合并。（2）maximum length scale：最大網(wǎng)格尺寸。當(dāng)網(wǎng)格尺寸大于該尺寸時(shí)，網(wǎng)格將會(huì)分裂。（3）maximum cell skewness：當(dāng)網(wǎng)格歪斜度超出設(shè)定的尺寸時(shí)，網(wǎng)格會(huì)進(jìn)行重構(gòu)。（4）maximum face skewness：該參數(shù)只在3D模型中有效，與單元歪斜度類似（5）size remeshing interval：設(shè)置網(wǎng)格重構(gòu)間隔，通常時(shí)間步有關(guān)系。FLUENT的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置Fluent的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，主要是通過(guò)dynamic mesh面板進(jìn)行設(shè)置。動(dòng)網(wǎng)格面板如下圖所示。主要包括兩部分內(nèi)容：（1）Mesh Methods （2）

15、 Dynamic Mesh Zones。另外還包括網(wǎng)格域運(yùn)動(dòng)預(yù)覽及網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)預(yù)覽。整個(gè)動(dòng)網(wǎng)格面板通過(guò)勾選Dynamic Mesh選項(xiàng)而激活。1、Mesh Methods（網(wǎng)格更新方法）該部分主要用于網(wǎng)格或網(wǎng)格域在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，設(shè)置計(jì)算域中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位置更新方法。fluent中有三種主要網(wǎng)格更新方法：（1）網(wǎng)格光順?lè)椒ǎ?）動(dòng)態(tài)層方法（3）網(wǎng)格重構(gòu)。對(duì)于3D模型，還包括in-cylinder、six-dof、Implicit Update三種選項(xiàng)。其中in-cyliner用于發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸模擬，six-dof主要用于流體作用于剛體，預(yù)測(cè)剛體運(yùn)動(dòng)。implicit update用于設(shè)定網(wǎng)格更新方式。默認(rèn)采用顯式方式，勾選此選項(xiàng)可設(shè)定網(wǎng)格以隱式方式更新。2、動(dòng)態(tài)網(wǎng)格域用于定義網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)的區(qū)域及運(yùn)動(dòng)類型。FLUENT中網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)類型主要有：靜止、剛體運(yùn)動(dòng)、變形區(qū)域、用