FLUENT中被动型动网格问题求解方案6DOF教学提纲

1、精品文档CAE 联盟论坛精品讲座系列FLUENT 中被动型动网格问题求解方案： 6DOF主讲人：流沙 CAE 联盟论坛总版主利用 CFD软件解决动网格问题，通常可分为以下两类：（1）主动型动网格主动型动网格问题通常指的是边界运动规律及运动状态已知， 通常可由软件使用者通过函数 或程序进行描述。 在程序计算过程中， 求解器调用边界运动轨迹描述程序实现边界运动。 这 类动网格例子很多，如各类泵、风扇等。（2）被动型动网格还有一类动网格问题， 其边界运动规律往往是未知的， 常常需要通过计算边界上的力或力矩， 以此来求取边界的运动。 在这类动网格计算设置中， 网格变化规律难以预料， 导致网格参数 经常

2、需要进行多次调整才能达到目的。 这类例子在现实中其实也很多， 比如风力发电机的叶 轮、水轮机等。解决主动型动网格问题比较容易，利用CFD软件提供的动网格模拟能力很容易解决。需要关注的地方是边界运动后，网格节点如何重新布置和生成。如在FLUENT软件中，其动网格主要包括三种网格功能： 弹簧光顺、 动态层及网格重构。 利用网格重构功能几乎可以解决所 有主动型动网格问题。那被动型动网格问题怎么处理呢？一般来说， 这类边界的运动都是由于内部流体对其压力所 造成的，那么就涉及到力和力矩计算的问题。 对于这类问题， 在 FLUENT软件中可以采用 6DOF 模型进行计算。需要注意的是， 以上所有类型动网格

3、计算均建立在边界为刚性的情况下。 即不会计算由于流 动产生的力的作用导致的边界变形。 若要计算边界变形， 则需要采用流固耦合方法， 利用固 体求解器计算。被动型动网格中的力和力矩均是压力对面的积分计算而来。1、6DOF UDF宏在 FLUENT中利用 6DOF是需要定义 UDF 宏的。该宏的定义形式如下：DEFINE_SDOF_PROPERTIES（name, properties, dt ,time ,dtime）函数中：精品文档精品文档Name：宏名称Real *properties ：存储 6DOF 属性的数组Dynamic_Thread *dt ：存储制定的动网格属性Real time

4、 ：当前时间Real dtime ：时间步长该 UDF宏没有返回值。用户需要定义的变变量为 name 、 properties 、 dt 、 dtime 。在利用该 UDF 宏的过程中 ,需要注意的是 properties 数组，其包含多种属性：SDOF_MASS /质量，定义方式如 propertiesSDOF_MASS=7.0 定义质量 7kgSDOF_IXX，SDOF_IYY，SOF_IZZ， /X 、Y、Z 方向惯性矩SDOF_IXY，SDOF_IXZ，SDOF_IYZ， / 惯性积SDOF_LOAD_LOCA，L / 布尔值， FALSE为全局坐标系， TRUE为体坐标系（局部坐标系

5、），默 认为 FALSESDOF_LOAD_F_X， SDOF_LOAD_F_Y， SDOF_LOAD_F_，Z /X ， Y，Z 方向外力SDOF_LOAD_M_X，SDOF_LOAD_M_Y，SDOF_LOAD_M_Z，/ 分别为 X，Y，Z 方向外力矩SDOF_ZERO_TRANS_，XSDOF_ZERO_TRANS_，YSDOF_ZERO_TRANS_，Z/ 布尔值， TRUE表示 该方向位移为 0，默认为 FALSESDOF_ZERO_ROT_，X SDOF_ZERO_ROT_，Y SDOF_ZERO_ROT_，Z / 布尔值， TRUE表示该方向 旋转自由度为 0，默认值为 FAL

6、SESDOF_SYMMETRY_，X SDOF_SYMMETRY_，Y SDOF_SYMMETRY_，Z / 指定半模型的对称轴法向 向量。在半模型运动时使用。上面的变换变量可以应付绝大多数问题，然而在FLUENT中，用户还可以自定义变换变量，这也是通过 6DOF 属性变量实现，这些变量包括：SDOF_CUSTOM_TRAN，S / 布尔值， TRUE表示使用自定义变换变量， FALUSE表示不使用SDOF_CTRANS_1，1SDOF_CTRANS_1，2SDOF_CTRANS_1，3SDOF_CTRANS_2，1SDOF_CTRANS_2，2 SDOF_CTRANS_2，3 SDOF_CT

7、RANS_3，1 SDOF_CTRANS_3，2 SDOF_CTRANS_3，3 / 坐标旋转变 量精品文档精品文档SDOF_DTRANS_1，1 SDOF_DTRANS_1，2 SDOF_DTRANS_1，3 SDOF_DTRANS_2，1SDOF_DTRANS_2，2 SDOF_DTRANS_2，3 SDOF_DTRANS_3，1 SDOF_DTRANS_3，2 SDOF_DTRANS_3，3 / 衍生旋转矩阵这些旋转矩阵在实际使用中应用较少。下面是一个简单的 SDOF实例：#include “ udf.h ”DEFINE_SDOF_PROPERTIES(stage,prop,time,d

8、time)propSDOF_MASS = 800.0;propSDOF_IXX = 200;PropSDOF_IYY = 100;PropSDOF_IZZ = 100;上面的 UDF定义了一个名为 stage的 SDOF宏，且质量 800kg，X 方向转动惯量为 200，Y方 向转动惯量 100，Z 方向转动惯量 1002、刚体参数的获取应用 6DOF 无可避免的会碰到刚体属性值的获取问题。对于简单的几何体，应用力学公式可 以很方便的计算出诸如质量、 转动惯量等。 但是对于复杂的几何模型， 要想通过数学公式计 算出这些物理量几乎是不可能的。其实，几乎所有的 CAD 建模软件中均具有这些物理量的

9、计算能力，不过要注意区分计算的 是全局坐标系还是局部坐标系。下面将以实例来描述如何应用 6DOF 模型求解被动型动网格问题。精品文档精品文档6DOF实例:设置过程对于被动型动网格计算问题， 可以采用 6DOF 动网格模型解决。 利用该模型时， 需要确定计 算模型中运动部件的质量、 三方向转动惯量及惯性矩、 重心坐标。 因此在几何模型创建过程 中，尽量使这些值容易获取（比如将重心位置放置在坐标原点），当然这不是必须的，在 CAD 建模软件中都包含了这些物理量的查询。如图 1 所示的几何体， 在受到图中流动方向的流体作用下， 若轴向旋转自由度未被约束， 则 会产生旋转位移。本次实例几何如图1 所示

10、。在建立流体计算域之前，需要利用 CAD 软件获取几何的特征物理量，我们这里使用 Solidworks 实现此功能。1、获取几何属性精品文档精品文档如图 2利用 solidworks 载入几何体，进入【评估】 【质量属性】，选择几何体进行计算， 所示。图 2 质量属性在计算几何质量属性对话框中，可以点击【选项】按钮，设置材料参数，如图3 所示。精品文档精品文档从图 2 可以看出，该几何体的重心( 0,0,25.19)， Z 方向惯性矩 IZZ=324047.793g*mm2 ， 由于我们的几何体约束了 X,Y,Z 三方向移动自由度， X， Y 方向的旋转自由度，因此只需要 Z 方向的惯性矩。需

11、要注意的是，这里的单位是mm ，而 UDF 中必须全部为国际单位制，需要做单位转换。2、计算域模型在 workbench 中的 DM 中创建计算域模型。主要是利用 DM 中方便的布尔运算功能。建立的计算域如图 4 所示。为计算域边界命名， 分别命名内部区域面、 入口面、出口面、圆柱面边界为： WallRotation 、 VelocityInlet 、 Outlet 、 wallCylinder 。精品文档精品文档 计算域建立完毕后即进行网格的划分，这里不详细描述。3、UDF 宏的编写利用文本编辑器编写 UDF 宏文件。如下：#include udf.hDEFINE_SDOF_PROPERTI

12、ES(rotate,prop,dt,time,dtime)propSDOF_MASS = 845.154E-3; /* 质量 */ propSDOF_IXX= 336179E-9; /*x方向惯性矩 */propSDOF_IYY = 336179E-9; /*y 方向惯性矩 */ propSDOF_IZZ= 324047.793E-9; /*z 方向惯性矩 */ propSDOF_ZERO_TRANS_X=TRUE; /*限制 x 方向位移 */ propSDOF_ZERO_TRANS_Y=TRUE; /*限制 y 方向位移 */ propSDOF_ZERO_TRANS_Z=TRUE; /*限

13、制 z 方向位移 */ propSDOF_ZERO_ROT_X=TRUE; /*限制 x 方向旋转 */ propSDOF_ZERO_ROT_Y=TRUE;/限* 制 y 方向旋转 */ 精品文档精品文档printf(nstage: updated 6dof properties);4、进入 FLUENT 中设置在 FLUENT 中主要包括动网格参数的设置。其他设置：瞬态计算、标准 K-E 湍流模型、标准壁面函数、工作介质为 water 、入口 5m/s， 出口静压为 0 。动网格设置：（1）、激活 sixDOF如图 5 所示，进入 Dynamic Mesh 面板，激活 Dynamic Mes

14、h ，勾选 Remeshing 选项及 SixDOF 项。2）、动网格参数设置进入 mesh methods下的 settings按钮，进入动网格参数设置。图6、图 7 分别为 smoothing与 Remeshing 的设置。精品文档罰蔭也!屮omu耳g$6uiUS1|貉内精品文档6DOF 中的 settings 设置对话框如图 8 所示，这里我们不考虑重力影响，设置三方向重力加 速度为 0。同时勾选 write motion history 项，记录保存运动中几何姿态。精品文档精品文档3）、编译加载 UDF 宏利用菜单【 Define 】 【 user defined】【function】【Complied】编译宏。精品文档精品文档4）、设置动网格区域动网格设置面板中，点击【 所示的红色框选部分。Create/Edit 】按钮定义动网格区域。需要设置的区域如图10图 10 运动区域设置同时注意设置 meshing Options 标签页下的网格高度。5、需要注意的问题3D 动网格问题，首先要注意的是负体积问题。前面说过，由于运动状态由受力状态控制， 在计算之前是未知的， 所有调整动网格