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6 Fluent软件的使用(5)


航空工程先进数值计算技术 ——应用计算流体力学
教 师:屈秋林 办公室:新主楼C1114 电 话:82339592 电 邮:qql@buaa.edu.cn

运动或变形区域内流动的模拟

引言
? 许多工程问题涉及到边界相对运动和变形区域 中的流动。 ? 处理相对运动问题的工具
? 单参考坐标系模型(SRF

)Single Reference Frame Model ? 多参考坐标系模型(MRF)Multiple Reference Frame Model ? 混合平面模型(MPM)Mixing Plane Model ? 滑移网格模型(SMM)Sliding Mesh Model

? 处理相对运动和变形问题的工具
? 网格模型( DM )Dynamic Mesh

方法概述
? Single Reference Frame (SRF)
? 将整个计算区域作为运动的参考坐标系

? Multiple Reference Frame (MRF)
? 将一部区域指定为运动参考坐标系 ? 不能够模拟相对运动的干扰效应(定常假设)

? Mixing Plane (MPM)
? 通过混合平面模型模拟相邻区域的干扰效应 ? 不能够模拟相对运动的非定常流动干扰效应(定常假设)

? Sliding Mesh (SMM)
? 利用网格的相对运动模拟区域的相对运动 ? 通过滑移交界面传递流动变量 ? 可以处理非定常的相互干扰效应,但是计算成本更好。

SRF 介绍
? SRF将非定常问题简化为定常问题。 ? 边界条件必须满足的要求:
? 和流体区域一同旋转的边界可以使任何形状。 ? 静止的边界必须是旋转面。

? 也可以利用周期边界条件来简化问题。

SRF 介绍
y

固定的洞壁必须是旋 转面

流体区域和参考 一同旋转

x 旋转轴
旋转坐标系

z
旋转的桨毂

旋转的桨叶

SRF 介绍
stationary wall

baffle

rotor

Correct

Wrong!

N-S 方程:旋转参考坐标系
? 方程可以在绝对坐标系中求解也可以在相对旋转坐标系 中求解。
? 在相对坐标系中,动量方程中出现旋转源项。

y
y
CFD domain

? ro

? r
R

z
stationary frame

rotating frame

x
? ?

z

x

axis of rotation

SRF 设置

MRF 介绍
? 计算区域分为静止和旋转两部分
? 可以指定多个旋转区域,并且每个旋转区域的速度可以不同。

? 在每个计算区域分别求解控制方程.
? 在旋转区域使用SRF 方程。 ? 在旋转和静止区域的干扰交界面,进行速度矢量及其梯度的变 化,从而计算质量、动量和能量的流量。 ? 假定在每一个区域的流动都是定常的。

? 忽略每一个区域相对于其他区域的运动
? 不考虑运动区域和旋转区域的干扰。 ? 也叫“冻结转子方法” 。

MRF 介绍
? 旋转区域内的壁面随着区域一起运动,可以是任何形 状的。 ? 旋转区域和静止区域的交界面必须是个旋转曲面。

stationary zone rotating zone

Correct

Wrong!

MRF 设置

MPM 介绍
? ? ? ? 混合平面最初发展是为了模拟转子和定子的流动。 计算区域被划分为转子和定子两个旋转和静止区域。 控制方程在每一个区域内进行求解。 Governing equations are solved in each domain.
? 在每一个区域内假设流动为定常的。 ? 区域的交界面叫做混合平面。 ? 在混合平面处,流动变量沿着圆周进行平均,得到沿着径向的 剖面。 ? 该剖面用作相邻区域的边界条件。 ? 当求解过程收敛时,混合平面的边界条件倍调节为可以对整个 流动区域起到主控作用。

MPM 介绍
? 混合平面包含上游区域的出口和下 游区域的入口。
? 出/入边界条件类型的组合::

? Pressure-Inlet / Pressure-Outlet ? Velocity-Inlet / Pressure-Outlet ? Mass-Flow-Inlet / Pressure-Outlet

radial machines

axial machines

MPM 设置

非定常干扰的求解
? 转子和定子的相对运动将会产生非定常干扰,例如:
? 势流干扰(压力波的干扰) ? 尾迹干扰 ? 激波干扰s

? MRF and MPM 都忽略了非定常效应, Shock 因此只能够应用于这种干扰较弱的 interaction 情况。

potential interaction

stator

rotor wake interaction

SMM 简介
? 像多参考系模型一样,计算域被分为运动和静止区域。 ? 与 MRF不同,计算过程中区域的网格彼此相对运动,因 此是非定常的。
moving mesh zone

cells at time t

cells at time t+Dt

? 控制方程在惯性坐标系下以绝对量进行求解。
? 在每一个时间步,网格被更新,滑移交界面的通量被计算。 ? 不能够采用相对速度公式。

SMM 简介

SMM 简介
? 滑移交界面处网格一定是搭接的。 ? 错开区域的边界类型
? Periodic ? Walls

SMM 建立

DM 简介
? Dynamic mesh model用于模拟由于区域的边界运动导致区域 形状随时间发生变化的流动,区域边界的运动可以是事先 描述的,也可以是由流场解确定的。为了使用dynamic mesh model,需要提供初始的体网格和任何运动区域的运动描述

(描述运动的方法:boundary profiles,UDFs,6DOF)。

DM 简介
? 三种动网格方法
? Spring analogy ? Local remeshing ? Dynamic layering

? 网格运动可以只设置在个别区域 ? 不同的区域采用不同的网格运动方法 ? 变形区域部分的网格可以使搭接的。

Spring Analogy
? 内部节点项弹簧 ? 连接特性保质不变 ? 单段使用时只适用于小 变形情况 ? 适用的网格类型: tri, tet, quad, hex and wedge

Local Remeshing
? 当超过用户定义的网 格正交性和尺寸范围 时,局部可以添加或 者删除网格。 ? 连接特性改变。 ? 仅仅适用于tri and tet

Dynamic Layering
? 当区域增长和压缩时 ,单元被添加或者删 除 ? 连接特性改变。 ? 适用的网格类型: quad, hex and wedge

各种方法的组合
? 需要将初始的 网格进行适当 的分区。 ? 不同区域的交 界面选择费搭 接网格。

各种方法的组合

运动的描述方法
? 基于用户描述的边界运动,内部网格节点的位置自动 计算。 ? 基于网格类型,每个区域网格运动方法自动选择。 ? 描述运动的方法
? Profile:位置和速度随着时间的变化的离散点 ? UDF:位置和速度随着时间的变化的函数表达式 ? 六自由度运动(UDF)

动网格预览
? 开始计算之前嫩巩固进行网格预览。 ? 检查网格运动的可行性。

总的设置

总的设置

Smoothing

Smoothing
? Spring Constant Factor = 1.0

Smoothing
?

Spring Constant Factor = 0.1

Smoothing
? Spring Constant Factor = 0.05

Smoothing
? Spring Constant Factor = 0

Smoothing
? Smoothing on Quads
(rpsetvar 'dynamesh/spring/all-element-type? #t)

Smoothing

Layering
? Constant Height ? Constant Ratio:

Layering
? Constant Height

Layering
? Constant Ratio

Remeshing

Remeshing
? ?

No Smoothing Effect of Size Remesh Interval (SRI)
?

SRI = 10

Remeshing
? No Smoothing ? Effect of Size Remesh Interval (SRI)
? SRI = 1

Dynamic Zones - Stationary
?

Cell height:
? ?

?

只适用于面区域 Remeshing:边界节点 的距离 Layering:理想层高

Dynamic Zones – Rigid Body

Dynamic Zones - Deforming

Dynamic Zones - Deforming
deforming deforming

deforming

Dynamic Zones - Deforming

运动的描述
?和DM 相关的UDF:
? DEFINE_CG_MOTION ? DEFINE_GEOM ? DEFINE_GRID_MOTION

DEFINE_CG_MOTION
? Macro: DEFINE_CG_MOTION ( name, dt, vel, omega, time, dtime) ? Argument types:
? ? ? ? ? void *dt (dynamic thread pointer; common in all macros) real vel[] (array that returns the CG velocity) real omega[] (array that returns the ? of the CG) real time (time) real dtime (time step)

? Function returns: void

例子:Simple Remeshing & Smoothing

1cm

sides
1

V_y (m/s)

0

1cm

-1

V_y
0 .005 .01 Time (s) .015 .02

cells-tri

0.07cm

?Step 1: 选择非定常求解器 Define ? Solver

?Step 2: 激活动网格选择网格运动方法 Define ? Dynamic Mesh ? Parameters

? Step 3: Define Load Profile
? Write a profile file
1

((v_y 5 point) (time 0 .005 .01 .015 .02) (v_y 0 1 0 -1 0))

V_y (m/s)

0 -1

0

.005

.01

.015

.02

Time (s)

? Read the profile

Define ? Profile

?Step 4: 定义运动区域
?Rigid Body motion

V_y cells-tri

0.07cm

?Step 4:定义运动区域
?Deforming side walls
sides

0.07cm

? Step 5: 写文件File ? Write ? Case ? Step 6: 网格运动预览

超车

超车
Prism layers move with the car.

投弹

海豚游泳

苍蝇飞行


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