ansys教学算例集基于layering动网格方法的绝热压缩和膨胀过程分析

1、基于Layering动网格方法的绝热压缩和膨胀过程分析算例来源：自制算例制作：崔亮算例校核：关 键 词：摘要本算例使用ANSYS Fluent 19.1软件中的Layering动网格方法，对绝热压缩和膨胀过程进行仿真。文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数和后处理的设置。通过仿真计算获得瞬态的绝热压缩和膨胀过程结果。案例描述本算例仿真的模型如下图所示，是一个圆柱形的计算域，顶部的面静止不动，底部的面向上运动，压缩计算域内的空气，到达上止点后再向下运动，膨胀计算域内的空气。由于本算例中使用Layering动网格方法，因此在网格生成时，即将发生网格运动的区域需要使用层状的

2、规则网格，例如三角形表面网格均匀拉伸形成的楔形体网格。创建工作目录并启动Fluent在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如Dynamic_Mesh_Layering），将网格文件layering.msh.gz和随时间变化的底面位移数据表格bottom-motion-layering.ttab拷贝至该目录下。启动Fluent 19.1，在Fluent Launcher中，Dimension选择3D，Display Options中勾选Display Mesh After Reading和Workbench Color Scheme，Options中勾选Double Precision，Process

3、ing Options选择Parallel，设置使用4个Processes并行计算（用户可以根据现有的硬件资源和License授权酌情选择合适的并行数），更改Working Directory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent 19.1。导入网格文件菜单中点击【File】【Read】【Mesh】，选取网格文件layering.msh.gz，点击OK导入网格。此时，图形界面中可以查看导入的网格。General一般设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【General】，在Time中选择Transient。General一般设置（续）树中点击【Setup】【General】【

4、Mesh】【Scale】，Scaling选择Convert Units，Mesh Was Created In从下拉菜单中选择mm，点击Scale对网格进行缩放。注意Scale按钮只能点击一次，不能重复点击。缩放完成后，在Domain Extents中查看当前模型的尺寸范围是否正确。General一般设置（续）树中点击【Setup】【General】【Mesh】【Check】，Fluent开始对网格进行检查，以米制为单位列出模型在XYZ各方向的尺寸范围，并报告出网格中可能存在的问题。注意重点关注最小体积（minimum volume）的数值，确保其为正值，因为Fluent无法对负体积的网格进行

5、计算。Models模型设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Models】，进行物理模型设置。树中【Setup】【Models】【Energy】，鼠标右键点击Energy，选择On；或者鼠标左键双击Energy，在弹出的菜单中勾选Energy Equation，点击OK完成设置。Models模型设置（续）在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Materials】，进行材料物性设置。在Materials的Task Page中点击【Fluid】【Air】【Create/Edit】，在弹出的Create/Edit Materials窗口中，Density选择ideal-gas，其它参

6、数保留默认的设置。点击Change/Create，再点击Close关闭Create/Edit Materials窗口。Dynamic Mesh动网格设置读入随时间变化的底面运动规律的位移数据表格bottom-motion-layering.ttab，其中的数据内容如下图所示，横坐标是计算时间，纵坐标是底面的Z方向的位移数据。Dynamic Mesh动网格设置（续）在菜单中点击【Setting Up Physics】【Zones】【Profiles】，弹出Profiles窗口，点击Read按钮，读入bottom-motion-layering.ttab文件。点击Close关闭Profiles窗口

7、。Dynamic Mesh动网格设置（续）在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】【Dynamic Mesh】，进行动网格的设置。在Dynamic Mesh的Task Page中，勾选Dynamic Mesh激活动网格功能，在Mesh Methods中，取消选择Smoothing，勾选Layering，点击Settings按钮，弹出Mesh Method Settings窗口，在Layering选项卡中，保留默认的设置，点击OK关闭Mesh Method Settings窗口。Dynamic Mesh动网格设置（续）在Dynamic Mesh Zones中，点击Create/Edit按钮，弹

8、出Dynamic Mesh Zones窗口，在Zone Names中选择bottom，Type选择Rigid Body，Motion Attributes标签卡中的Motion UDF/Profile选择bottom-motion-layering；切换到Meshing Options选项卡中，Cell Height中输入0.005，点击Create按钮，再点击Close按钮关闭Dynamic Mesh Zones窗口。Dynamic Mesh动网格设置（续）点击Display Zone Motion按钮，弹出Zone Motion窗口，在Time Control中，Start Time输入0

9、，Time Step输入0.0002，Number of Steps输入100，Dynamic Face Zones中选中bottom，点击Preview可以预览bottom边界的运动是否正确。预览完成后，可以点击Reset按钮进行复位。点击Close关闭Zone Motion窗口。Dynamic Mesh动网格设置（续）需要注意的是，在Display Zone Motion中所预览的，只是bottom边界的运动，并没有真正执行动网格的过程，因此只能用来判断边界运动的规律和位置是否正确，无法得知在动网格开始执行后，会不会出现负体积等错误。如果要预览整个动网格的执行过程，需要使用Preview

10、Mesh Motion按钮，特别需要提醒的是，在开始使用Preview Mesh Motion按钮之前，需要将当前的cas文件进行保存，因为动网格一旦开始执行，网格发生了变化便无法复位回到初始时刻的网格状态，只能通过重新读入已经保存的cas文件回到初始时刻的网格状态。Solution Methods求解方法设置在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Methods】，进行求解方法的设置。Pressure-Velocity Coupling中的Scheme保留默认的SIMPLE，保留默认的Spatial Discretization。Report Definitions报告定义设置在最

11、左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】【Report Definitions】，进行报告定义的设置。接下来创建计算域内平均温度值的报告，并随着计算的进行监视该值的变化。在弹出的Report Definitions窗口中，鼠标左键依次点击【New】【Volume Report】【Volume-Average】。在新弹出的Volume Report Definition窗口中，Name修改为temperature-avg，Field Variable修改为Temperature Static Temperature，Cell Zones中选择fluid，Create中勾选Report Plo

12、t和Print to Console。点击OK完成设置。点击Close关闭Report Definitions窗口。Initialization初始化树中【Solution】【Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在Task Page中的Initialization Methods选择为Standard Initialization，Initial Values中的Gauge Pressure、X Velocity、Y Velocity和Z Velocity都输入0，Temperature输入300，点击Initialize按钮进行初始化。Run Calcu

13、lation运行计算在开始瞬态计算之前，先定义并设置好需要输出的温度云图。首先，创建通过中心位置的平面切面，本算例中使用Plane的方式创建，也可以使用Iso-Surface的方式创建。在菜单中点击【Postprocessing】【Surface】【Create】【Plane】，弹出Plane Surface窗口，在Options中勾选Point and Normal，在Points的x0中输入0，y0和z0保留默认值，Normal的ix中输入1，iy中输入0，iz中输入0，New Surface Name中输入x-plane，点击Create按钮生成通过中心位置的平面切面。再点击Close关

14、闭Plane Surface窗口。Run Calculation运行计算（续）树中【Results】【Graphics】【Mesh】，鼠标左键双击Mesh，弹出Mesh Display窗口，在Options中勾选Edges，取消选择Faces，Coloring选择Manual，Edges的颜色选择black，Surfaces选择bottom、side和top，点击Save/Display按钮，并将视角调整到合适的位置，显示网格。Run Calculation运行计算（续）树中【Results】【Graphics】【Contours】，鼠标左键双击Contours，弹出Contours窗口，在O

15、ptions中勾选Filled和Node Values，取消选择Global Range、Auto Range和Clip to Range，Coloring选择Smooth，Contours of选择Temperature Static Temperature，Min中输入300，Max中输入700，Surfaces选择x-plane，点击Save/Display按钮，显示中心切面的温度云图。Run Calculation运行计算（续）树中【Solution】【Calculation Activities】【Solution Animations】，鼠标左键双击Solution Animati

16、ons，弹出Animation Definition窗口，在Name中输入animation-mesh，在Record after every中输入5，每间隔5个时间步输出一次图片。在Window Id中输入3，在Animation Object中选择mesh-1，在Animation View中点击Use Active，自动将当前的视角保存为view-0，点击OK按钮关闭Animation Definition窗口。Run Calculation运行计算（续）树中【Solution】【Calculation Activities】【Solution Animations】，鼠标左键双击Sol

17、ution Animations，弹出Animation Definition窗口，在Name中输入animation-temperature，在Record after every中输入5，每间隔5个时间步输出一次图片。在Window Id中输入4，在Animation Object中选择contour-1，在Animation View中选择view-0，点击OK按钮关闭Animation Definition窗口。Run Calculation运行计算（续）菜单中点击【File】【Write】【Case & Data】，在Case/Data File中输入文件名layering-init

18、.cas.gz，点击OK保存初始时刻的Case和Data。Run Calculation运行计算（续）树中【Solution】【Run Calculation】，鼠标左键双击Run Calculation，在Time Step Size中输入0.0002，在Number of Time Steps中输入100。点击Calculate运行计算。Run Calculation运行计算（续）计算开始后，可以看到计算域中的平均温度值随着时间变化的曲线。Run Calculation运行计算（续）计算完成后，菜单中点击【File】【Write】【Case & Data】，在Case/Data File中

19、输入文件名layering-final.cas.gz，点击OK保存最终时刻的Case和Data。瞬态结果Post-processing后处理在最左侧的树中，使用【Results】中的相关工具，对瞬态计算结果进行后处理。树中【Results】【Animations】【Solution Animation Playback】，鼠标左键双击Solution Animation Playback，弹出Playback窗口，在Playback中通过拖动Frame右侧的滑块或点击左右箭头，调整到合适的帧显示。由于之前在Solution Animations中定义的是每间隔5个时间步输出一帧，瞬态计算共进行了100个时间步，因此一共有20帧图。例如将滑块拖动到第2帧时，显示出的就是第10个时间步的结果，由于使用的时间步长是0.0002秒，因此也既是0.002秒时刻的结果。在Animation Sequences中