FLUENT中被动型动网格问题求解方案6DOFdoc.docx

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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。

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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、6DOFUDF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：

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

Realtime：

当前时间

Realdtime：

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：

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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

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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;

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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。

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。

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。

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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。

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

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，如图

2所示。

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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。

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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*mm^2，

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。

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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。

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.h"

DEFINE_SDOF_PROPERTIES（rotate,prop,dt,time,dtime）

{

prop[SDOF_MASS]=845.154E-3;/*质量*/

prop[SDOF_IXX]=336179E-9;/*x方向惯性矩*/

prop[SDOF_IYY]=336179E-9;/*y方向惯性矩*/

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prop[SDOF_IZZ]=324047.793E-9;/*z方向惯性矩*/

prop[SDOF_ZERO_TRANS_X]=TRUE;/*限制x方向位移*/

prop[SDOF_ZERO_TRANS_Y]=TRUE;/*限制y方向位移*/

prop[SDOF_ZERO_TRANS_Z]=TRUE;/*限制z方向位移*/

prop[SDOF_ZERO_ROT_X]=TRUE;/*限制x方向旋转*/

prop[SDOF_ZERO_ROT_Y]=TRUE;/*限制y方向旋转*/

printf（"\nstage:

updated6dofproperties"）;

}

4、进入FLUENT中设置

在FLUENT中主要包括动网格参数的设置。

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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DynamicMesh面板，激活DynamicMesh，勾选Remeshing选项及

SixDOF项。

（2）、动网格参数设置

进入meshmethods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。

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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writemotionhistory项，记录保存运动中几何姿态。

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（3）、编译加载UDF宏

利用菜单【Define】>【userdefined】>【function】>【Complied】编译宏。

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（4）、设置动网格区域

动网格设置面板中，点击【Create/Edit】按钮定义动网格区域。

需要设置的区域10如图

所示的红色框选部分。

图10运动区域设置

同时注意设置meshingOptions标签页下的网格高度。

5、需要注意的问题

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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，所有调整动网格参数比较困难。

不过仔细耐心的修正还是可以解决的。

其次，关于这类被动运动问题，一些模型较为简单的几何体，实际上是可以化被动为主动，

只是计算壁面受力，运动状态通过受力状态用UDF确定。

比如此例，我们可以在计算过程

中通过宏计算出每次迭代加载在重心上的力和力矩，然后通过力学公式确定几何体的运动状

态。

这样被动运动问题就变为人为定义运动状态的主动动网格问题。

这次几何有点复杂，计算时间比较长，不过主要用于演示6DOF模型的定义。

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