动网格技术的研究

Fluent中被动运动Six DOF

(2016-01-30 10:07:51)

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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，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，求解器调用动网格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

被动型动网格问题通常是指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，以此来求取动网格的运动规律。在这类动网格计算设置中，网格变化规律难以预料，导致网格参数经常需要进行多次调整才能达到目的。这类例子在现实中也很多，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：Smoothing、Layering、Remeshing。利用Remeshing 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Six DOF模型进行计算。

需要注意的是，以上所有类型动网格计算均以刚性移动边界为前提，即不考虑由于流体作用力导致的边界变形。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。

下面介绍一下Six DOF运用方法：

在FLUENT中利用Six DOF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：

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：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properties[SDOF_MASS]=7.0定义质量7kg SDOF_IXX，SDOF_IYY，SOF_IZZ，//X、Y、Z方向惯性矩

SDOF_IXY，SDOF_IXZ，SDOF_IYZ，//惯性积

SDOF_LOAD_LOCAL，//布尔值，FALSE为全局坐标系，TRUE为体坐标系（局部坐标系），默认为FALSE

SDOF_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_X，SDOF_ZERO_TRANS_Y，SDOF_ZERO_TRANS_Z，//布尔值，TRUE表示该方向位移为0，默认为FALSE

SDOF_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FALSE

SDOF_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_TRANS，//布尔值，TRUE表示使用自定义变换变量，FALUSE表示不使用

SDOF_CTRANS_11，SDOF_CTRANS_12，SDOF_CTRANS_13，SDOF_CTRANS_21，SDOF_CTRANS_22，SDOF_CTRANS_23，SDOF_CTRANS_31，SDOF_CTRANS_32，SDOF_CTRANS_33，//坐标旋转变量SDOF_DTRANS_11，SDOF_DTRANS_12，SDOF_DTRANS_13，SDOF_DTRANS_21，SDOF_DTRANS_22，SDOF_DTRANS_23，SDOF_DTRANS_31，SDOF_DTRANS_32，SDOF_DTRANS_33，//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,dtime)

{

prop[SDOF_MASS] = 800.0;

prop[SDOF_IXX] = 200;

Prop[SDOF_IYY] = 100;

Prop[SDOF_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100

2、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。

6DOF实例1: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。