利用6DOF模型计算小球自空气中跌落水中

FLUENT中提供了6DOF模型,用于计算刚体在流体域空间的运动行为。该模型除了可以计算刚体模型的平移旋转等运动规律之外,还可以实时计算刚体模型的受力、加速度以及速度。配合FLUENT强大的动网格能力,利用6DOF模型能够模拟真实世界中的诸多现象。本例采用6DOF模型,配合VOF多相流模型,计算木制小球自空气中坠入水中的过程。观察小球坠落过程中流场变化情况,同时监测小球重心的运动规律。

1、模型考虑

真实模型是三维的,这里为了方便起见,采用二维模型考虑。所涉及的技术内容完全一致。几何模型如图1所示。

图1几何尺寸及模型图2网格

模型尺寸如图1所示。单位为mm。在CAD软件中统计小球信息得到:

重心坐标(0,0,0),惯性矩Ixx = 2010619mm^4,Iyy=2010619mm^4,Izz=4021238.5mm^4,面积A=5026.548mm^2。对于平面模型计算,fluent默认拉伸厚度为1m,假设小球密度800kg/m^3,因此可以计算小球质量mass=800*5026.548e-6=4.021kg。

2、划分网格

在ICEM CFD中生成全三角形计算网格,如图2所示。设定上部边界为pressure_outlet,矩形上其它三条边为walls,小球边界为movingWall。(此处可以生成边界层网格,然后将边界层网格添加至另外的计算域,让该区域跟随movingwall一起运动)。然后将模型导出为msh文件。

3、准备UDF

UDF比较简单,如下所示。采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏,给质量及三方向惯性矩赋值即可。

#include "udf.h"

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

{

prop[SDOF_MASS] = 4.021;

prop[SDOF_IXX] = 2010619e-12;

prop[SDOF_IYY] = 2010619e-12;

prop[SDOF_IZZ] = 4021238e-12;

}

编译并load此UDF。

4、sacle计算域

Fluent读入msh文件,scale网格设定合适的单位。将网格尺寸及显示尺寸均设为mm。如图3所示。

图3 Scale Mesh

5、General面板设置

设置Time为瞬态Transient,同时激活重力选项,设置重力加速度为Y方向-9.81m/s2。如图4所示。

图4 general面板设置

6、模型面板设置

设置VOF多相流模型,如图5所示。设置body force formulation为Implicit Body Force。

图5多相流模型

选择湍流模型为标准k-epsilon模型,采用增强壁面函数。

6、材料

材料数据库中添加water-liquid。

设置水为主相,空气为第二相。如图6所示。

7、边界条件设置

本例中需要设置的边界条件为出口边界。该边界设置为压力出口,静压为0。如图6所示。

图6出口边界设置

同时设置出口第二相组分为1.即出口全部为空气。

8、动网格设置

激活动网格。在Dynamic mesh面板中,激活smoothing与Remeshing方法,同时勾选Six DOF选项。如图7所示。

图7动网格设置

点击Mesh Methods的Settings进入参数设置面板,在smoothing标签页下设置Spring Constant Factor为0.5,进入remeshing标签页,进行图8所示设置。

图8 remeshing设置

关闭mesh method settings面板,进入six dof setting面板。进行如图9所示设置。

图9 6DOF设置

勾选Write Motion History,这样运动数据即可写入文本文件。

设置完毕后关闭6DOF设置面板。

创建运动区域,如图10所示,指定运动区域为moving wall,勾选six dof options中的on选项。

图10创建运动域

进入meshing options标签页,设置cell height为3mm,点击create创建运动区域。

图12设置网格高度

设置完毕后,保存case与data文件。

9、设置操作条件

进入cell zone conditions中的operation conditions,在弹出的operating conditions面板中设置参考密度为1.225,其他参数保持默认即可。如图13所示。

图13设置操作条件

10、求解参数设定

本例为演示,因此采用默认选项。在实际工程应用中,可以根据需要进行调整。

11、初始化

设置初始空气体积分数为1,即整个计算域中全为空气,后面我们利用patch将水添加进去。如图14所示。

图14初始化

12、Patch水

先要标记水所在的区域。点击菜单Adapt > regions,进行如图15所示设置。

图15区域设置

点击mark进行标记。

进入patch对话框,进行如图16所示设置。

图16 patch水位

13、其他设置

可以设置自动保存cas及dat文件,同时可以定义动画文件,由于这些是基本操作,因此不再赘述。

14、计算设定

设置时间步长time size为0.001s,时间步数time step为3000,即计算3s情况。

设置内迭代数量为30,然后进行计算。

15、计算结果