fluent 动网格.doc

Remeshing方法中的一些参数设定：Remeshing中的参数Minimum length scale和Maximum Length Scale，这两个参数你可以参考mesh scale info中的值，仅是参考，因为mesh scale info中的值是整个网格的评价值，设置的时候看一下动网格附近的网格和整个网格区域的大小比较，然后确定这两个参数，一般来讲，动网格附近的网格较密，这些值都比整体的小，所以在设置时通常设置为比mesh scale info中的Minimum length scale大一点，比Maximum Length Scale小一点。以上是一般来讲的设置思路。下面是我在NACA0012翼型动网格例子中的设置：Remeshing中的参数设定： 为了得到较好的网格更新，本例在使用局部网格重新划分方法时，使用尺寸函数，也就是Remeshing+Must Improve Skewness+Size Function的策略。 将Minimum Length Scale及Maximum Length Scale均设置为0，为了使所有的区域都被标记重新划分； Maximum Cell Skewness（最大单元畸变），参考Mesh Scale Info中的参考值0.51，将其设定为0.4，以保证更新后的单元质量； Size Remesh Interval（依照尺寸标准重新划分的间隔），将这个值设定为1，在FLUENT，不满足最大网格畸变的网格在每个时间步都会被标记，而后重新划分，而不满足最小，最大及尺寸函数的网格，只有在Current Time=（Size Remesh Interval）*delta t的时候，才根据这些尺寸的标准标记不合格的单元进行重新划分，为了保证每步的更新质量，将其修改为1，就是每个时间都根据尺寸的标准标记及更新网格。 Size Function Resolution（尺寸函数分辨率），保持默认的3； Size Function Variation（尺寸函数变量）：建议使用一个小值，在0.1到0.5之间，本例将其设置为0.3； Size Function Rate（尺寸函数变化率），保持默认的0.3。 动网格(dynamic mesh)是CFD中专有的概念。由于当前流体计算多采用欧拉坐标系，该坐标系区别于拉格朗日坐标系的一个最直观特点是：计算过程中网格保持静止。因此，在CFD计算中应用动网格，具有其特别的难处。1、动网格控制方式最主要的困难在于边界运动后的网格质量控制。由于边界的运动，不可避免的导致网格变形。我们知道，求解器对于网格质量的容忍是有限度的。当网格扭曲过大引起网格质量的急剧下降，可能导致计算发散、形成负网格，进而终止计算。因此，在边界运动过程中，对网格质量进行控制尤为重要。在fluent软件中动网格主要有三种控制方式：smoothing，layering，remeshing。其中layering主要应用与四边形网格及六面体网格，remeshing主要应用于三角形网格及四面体网格等费结构网格中，至于smoothing方法则在各类网格中均可应用。layering方法应用于结构网格也是有条件限制的：边界运动最好是沿着某单一方向。如若是旋转，最好还是采用非结构网格配合remeshing方式。非结构网格是最适合应用动网格模型的，但是网格质量不好控制，通常需要仔细调节。结构网格采用layering方法，能够很好的控制网格质量，但是几何适应性差。具体采用何种网格类型以及何种控制方式，还是要从实际的模拟模型来考虑。2、运动控制方式边界的运动控制方式主要有两种：PROFILE文件与UDF。采用profile的方式是最简单的，存在的限制也比较多。首先profile主要是采用线性插值的方式，如果速度是关于时间的高阶幂函数，则难以采用此种方式。另外，采用profile定义边界的运动方式，最主要的是指定边界的运动速度，对于其他的涉及到力的转换的，比如说6DOF模型中经常用到的将受力转换为加速度再换算成速度的话，基本上无能为力。最常见的profile文件格式如下：(vel 2 point)(time 0 0.1)(v_x 0 1)这里定义了一个两点格式，在0s时刻速度为0，0.1s时刻速度为1，中间时刻速度采用线性插值获得。注意profile中统一采用国际单位制。关于速度v_x,v_y,v_z分别表示x,y,z三方向平动速度,omega_x,omega_y,omega_z表示x,y,z三方向转动速度。至于UDF方式定义运动，最主要的还是采用DEFINE_CG_MOTION宏，注意此UDF宏只能用于编译型。解释形式的虽然不会报错，但是在使用中是无效的。应用于动网格的宏还包括DEFINE_DYNAMIC_ZONE_PROPERTY,DEFINE_GEOM,DEFINE_GRID_MOTION,DEFINE_SDOF_PROPERTIES，各宏的详细用法，可以参阅UDF手册第二章第六小节，里面包含了宏中的参数以及各类例子。3、应用动网格的时机动网格其实是比较复杂的技术，想要用好不是一件容易的事情。在使用过程中经常会出现计算发散、负网格的问题，更可能出现由于网格扭曲导致网格质量差，计算精度低的问题。因此，对于运动问题，fluent中还是提供了很多的简化模型。最接近动网格的是滑移网格。滑移网格是唯一一种不改变网格而能计算瞬态的模型。滑移网格的基本思想是将运动区域与静止区域通过滑移面进行分割，通过滑移面传递流动数据。在运动区域中采用运动参考系的方式。另外几类运动问题都可以归结为运动参考系的问题：SRF,MRF以及MP。SRF与MRF的区别主要在参考系的数量上。而MRF与MP的区别在与数据传递方式。MRF通过交界面直接传递数据，主要是通过绝对速度的方式传递，而MP则是流量或压力平均的方式进行传递。总之，若能够应用这些简化的模型，是不推荐采用动网格的方式的。一、动网格的相关知识介绍有关动网格基础方面的东西，请具体参考FLUENT Users Guide或FLUENT全攻略的相关章节，这里只给出一些提要性的知识要点。1、简介动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以是预先未做定义的运动，即边界的运动要由前一步的计算结果决定。网格的更新过程由FLUENT 根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参予运动的区域。可以用边界型函数或者UDF 定义边界的运动方式。FLUENT 要求将运动的描述定义在网格面或网格区域上。如果流场中包含运动与不运动两种区域，则需要将它们组合在初始网格中以对它们进行识别。那些由于周围区域运动而发生变形的区域必须被组合到各自的初始网格区域中。不同区域之间的网格不必是正则的，可以在模型设置中用FLUENT软件提供的非正则或者滑动界面功能将各区域连接起来。注：一般来讲，在Fluent中使用动网格，基本上都要使用到UDF，所以你最好具备一定的C语言编程基础。2、动网格更新方法动网格计算中网格的动态变化过程可以用三种模型进行计算，即弹簧近似光滑模型(spring-based smoothing)、动态分层模型（dynamic layering）和局部重划模型（local remeshing）。弹簧近似光滑模型原则上弹簧光顺模型可以用于任何一种网格体系，但是在非四面体网格区域（二维非三角形），最好在满足下列条件时使用弹簧光顺方法：（1）移动为单方向。（2）移动方向垂直于边界。如果两个条件不满足，可能使网格畸变率增大。另外，在系统缺省设置中，只有四面体网格（三维）和三角形网格（二维）可以使用弹簧光顺法，如果想在其他网格类型中激活该模型，需要在dynamic-mesh-menu 下使用文字命令spring-on-all-shapes?，然后激活该选项即可。动态分层模型动态分层模型的应用有如下限制：（1）与运动边界相邻的网格必须为楔形或者六面体（二维四边形）网格。（2）在滑动网格交界面以外的区域，网格必须被单面网格区域包围。（3）如果网格周围区域中有双侧壁面区域，则必须首先将壁面和阴影区分割开，再用滑动交界面将二者耦合起来。（4）如果动态网格附近包含周期性区域，则只能用FLUENT 的串行版求解，但是如果周期性区域被设置为周期性非正则交界面，则可以用FLUENT 的并行版求解。如果移动边界为内部边界，则边界两侧的网格都将作为动态层参与计算。如果在壁面上只有一部分是运动边界，其他部分保持静止，则只需在运动边界上应用动网格技术，但是动网格区与静止网格区之间应该用滑动网格交界面进行连接。局部网格重划模型需要注意的是，局部网格重划模型仅能用于四面体网格和三角形网格。在定义了动边界面以后，如果在动边界面附近同时定义了局部重划模型，则动边界上的表面网格必须满足下列条件：（1）需要进行局部调整的表面网格是三角形（三维）或直线（二维）。（2）将被重新划分的面网格单元必须紧邻动网格节点。（3）表面网格单元必须处于同一个面上并构成一个循环。（4）被调整单元不能是对称面（线）或正则周期性边界的一部分。动网格的实现在FLUENT 中是由系统自动完成的。如果在计算中设置了动边界，则FLUENT 会根据动边界附近的网格类型，自动选择动网格计算模型。如果动边界附近采用的是四面体网格（三维）或三角形网格（二维），则FLUENT 会自动选择弹簧光顺模型和局部重划模型对网格进行调整。如果是棱柱型网格，则会自动选择动态层模型进行网格调整。在静止网格区域则不进行网格调整。动网格问题中对于固体运动的描述，是以固体相对于重心的线速度和角速度为基本参数加以定义的。既可以用型函数定义固体的线速度和角速度，也可以用UDF 来定义这两个参数。同时需要定义的是固体在初始时刻的位置。注：这一小节主要讲述了动网格的更新方法，最好能掌握，尤其是各种方法的适用范围，通常来讲，在一个case中，我们使用的更新方法都是根据网格类型以及和要实现的运动来选择的，很多时候都是几种更新方法搭配起来使用的。总结一下：使用弹簧近似光滑法网格拓扑始终不变，无需插值，保证了计算精度。但弹簧近似光滑法不适用于大变形情况，当计算区域变形较大时，变形后的网格会产生较大的倾斜变形，从而使网格质量变差，严重影响计算精度。动态分层法在生成网格方面具有快速的优势，同时它的应用也受到了一些限制。它要求运动边界附近的网格为六面体或楔形，这对于复杂外形的流场区域是不适合的。使用局部网格重划法要求网格为三角形（二维）或四面体（三维），这对于适应复杂外形是有好处的，局部网格重划法只会对运动边界附近区域的网格起作用。3、动网格问题的建立设置动网格问题的步骤中需要注意的如下：在Solver（求解器）面板中选择非定常流（unsteady）计算；设定边界条件，即设定壁面运动速度；激活动网格模型，并设定相应参数；指定移动网格区域的运动参数；保存算例文件和数据文件；预览动网格设置，菜单操作为：Solve - Mesh Motion.；应用自动保存功能保存计算结果，在动网格计算中，因为每个计算步中网格信息都会改变，而网格信息是储存在算例文件中的，所以必须同时保存算例文件和数据文件；如果想建立网格运动的动画过程，可以在Solution Animation（计算结果动画）面板中进行相关设置。注：在这一步中，需要提醒一下，使用动网格进行正式计算之前，最好养成预览动网格更新的习惯；就是在正式计算前，浏览一下动网格的更新情况，这样可以避免在计算过程中出现动网格更新本身的问题。在预览更新时，很多人都说会出现负体积的警告，更新不成功，出现这样的问题时，最好先把时间步长改的更小点儿试试，一般来讲，排除UDF本身的原因，出现更新出错的原因都与时间步长有关，这需要结合所使用的更新方法多琢磨。4、设定动网格参数为了使用动网格模型，需要在dynamic mesh（动网格）面板中激活Dynamic Mesh（动网格）选项。如果计算的是活塞运动，则同时激活In-Cylinder（活塞）选项。然后选择动网格模型，并设置相关参数。1）选择网格更新模型在Mesh Methods（网格划分方法）下面选择Smothing（弹簧光顺模型），Layering（动态层模型）和（或）Remshing（局部网格重划模型）。2）设置弹簧光顺参数激活弹簧光顺模型，相关参数设置位于Smoothing（光顺）标签下，可以设置的参数包括Spring Constant Factor（弹簧弹性系数）、Boundary Node Relaxation（边界点松弛因子）、Convergence Tolerance（收敛判据）和Number of Iterations（迭代次数）。弹簧弹性系数应该在0 到1 之间变化，弹性系数等于0 时，弹簧系统没有耗散过程，在图中算例中，靠近壁面的网格没有被改变，而是保持了原来的网格形状和密度；在弹性系数等于1 时，弹簧系统的耗散过程与缺省设置相同，从图中可以发现壁面发生变形，壁面附近网格因为过度加密而质量下降。因此在实际计算中应该在0 到1 之间选择一个适当的值。边界点松弛因子用于控制动边界上网格点的移动。当这个值为零时，边界节点不发生移动；在这个值为1 时，则边界节点的移动计算中不采用松弛格式。在大多数情况下，这个值应该取为0 到1 之间的一个值，以保证边界节点以合适的移动量发生移动。收敛判据就是网格节点移动计算中，迭代计算的判据。迭代次数是指网格节点移动计算的最大迭代次数。3）动态分层在Layering（动态分层）标签下，可以设置与动态层模型相关的参数。通过设定Constant Height（常值高度）与Constant Ratio（常值比例）可以确定分解网格的两种方法。Split Factor（分割因子）和Collapse Factor（合并因子）则分别为上面介绍的alpha_s和alpha_c。4）局部网格重新划分网格在Remeshing（重划网格）标签下，设置与局部重划模型相关的参数。可以设置的参数包括Maximum Cell Skewness（最大畸变率）、Maximum Cell Volume（最大网格体积）和Minimum Cell Volume（最大网格体积），其含义如前所述，主要用于确定哪些网格需要被重新划分。在缺省设置中，如果重新划分的网格优于原网格，则用新网格代替旧网格；否则，将保持原网格划分不变。如果无论如何都要采用新网格的话，则可以在Options（选项）下面选择Must Improve Skewness（必须改善畸变率）选项。如果Options（选项）下面的Size Function（尺寸函数）被激活，则还可以用网格尺寸分布函数标志需要重新划分的网格。假设在某点附近的理想网格尺寸为L ，而某个网格的尺寸为L ，如果： L不属于0.8*gamma*L，1.25*gamma*L则网格被标志为需要重新划分的网格，并在随后的计算中被重新划分。式中的gamma用下面的公式计算：当alpha0时，gamma=1