FLUENT嵌入式滑移网格实例

[本例内容来源于fluent官方教程]

现实生活中经常存在这样的模型:物体在运动的同时,还包含着旋转。换句话说,即其在公转的同时还存在自转现象。例如运动的割草机,其整体在运动,同时其割草部件在告诉旋转。同样的例子还有很多,比如吸尘器、旋转飞行的足球等等。ANSYS FLUENT13.0之后的版本提供了嵌入式滑移网格模型,允许用户对这一现象进行模拟,从而可以替代动网格,因此在某种程度上保证了网格质量,也不会丧失太多的精度。

图1 几何描述

1、几何描述

本例几何描述如图1所示。本计算域为一个封闭系统,其中包含一个十字旋转区域(直径0.1m),其圆心偏离计算域中心区域在x及y方向上均为0.1m。旋转区域fluid-rotor顺时针旋转速度为2rad/s,旋转区域fluid-circle圆心位于计算域中心,其沿逆时针旋转速度为1rad/s。工作流体为液态水,其密度1000kg/m3,粘度0.001kg/m-s。

2、前期UDF准备

本例需要UDF计算fluid-rotor区域圆心坐标。我们这里利用DEFINE_ZONE_MOTION宏。

程序代码如下:

#include "udf.h"

#define PI 3.141592654

DEFINE_ZONE_MOTION(rotor, omega, axis, origin, velocity, time, dtime)

{

real theta0, thetap1, omegac, omegar, radr, ox1, oy1;

omegar = -2.0;

omegac = 1.0;

theta0 = PI/4.;

radr = 0.141435;

thetap1 = omegac*(time+dtime);

*omega = omegar;

ox1 = radr*cos(theta0+thetap1);

oy1 = radr*sin(theta0+thetap1);

origin[0] = ox1;

origin[1] = oy1;

origin[2] = 0.0;

}

程序解释:

(1)omegar变量定义为fluid_rotor的旋转角速度,omegac定义为fluid_circle区域的旋转角速度。由右手定则确定旋转方向。

(2)theta0为fluid_rotor的初始圆心位置与计算域圆心间的角度。Radr为fluid_rotor中心到计算域中心的距离。由于本例中fluid_rotor为旋转,因此该半径为定值。

(3)thetap1为在当前时间步旋转的角度。*omega=omegar,此条语句的作用为将速度矢量赋值给omega以传入求解器。

(4)ox1及oy1为计算的当前fluid_rotor圆心位置。并将其值赋值给origin数组。

3、fluent模型设置

导入msh文件,选择瞬态计算,利用starnd k-e湍流模型,采用标准壁面函数。

选择材料为water-liquid,修改密度1000kg/m3,粘度0.001kg/m-s。

设置三区域介质为water-liquid。

4、加载UDF

本例udf可以采用解释型,也可以采用编译型。

【define】> 【user-defined…】>【functions】>【interpreted udfs】,弹出设置对话框,如图2所示。选择创建的udf源文件。点击interpret。

图2 解释udf

4、区域设置

Fluid-outer设置介质为water-liquid,其他保持默认。该区域为静止。

Fluid-circle设置如图3所示。

图3 circle区域设置

勾选mesh motion选项,注意relative to cell zone为absolute,设置旋转速度speed为1rad/s。注意此处选择absolute,表示fluid-circle的绝对旋转速度为1rad/s。

Fluid-rotor区域设置如图4所示。

图4 rotor区域设置

与circle区域设置类似,不过选择relative to cell zone为fluid-circle,表示该区域是相对于fluid-circle区域运动的。同时设置zone motion function为rotor。

5、边界条件设置

本例为封闭系统,为简便起见,壁面采用默认设置,即无滑移壁面边界。

本例需要建立两组interface,即fluid-rotor与fluid-circle之间,fluid-circle与fluid-outer之间。如图5所示。

图5 建立interface对

6、其他设置

Solution methods:压力耦合采用coupled方法。其他采用默认选项。

Solution controls:采用默认设置。

初始化:采用默认设置初始化即可。

动画设置:可以录制速度及压力等物理量云图动画。

时间步长:Δt = (0.0349066 rad) /(2 rad/sec) = 0.0174533 sec,我们假定每时间步旋转2°,即0.0249066rad,以最大速度2rad/s进行计算。时间步数取1800,即旋转10圈。如图6所示。

图6 计算设置

7、计算结果

8、总结

(1)这类公转+自转的问题,既可以使用动网格实现,也可以采用fluent中的嵌入式滑移网格实现。

(2)此例中两区域均为旋转运动,对于滑移网格特点,平移运动也可以实现。

(3)采用嵌入式滑移网格,避免了网格重构的网格质量损失。