在ANSYS Mesh模块中创建流体周期边界

在CFD计算中,周期边界应用非常广泛。Mesh模块作为ANSYS Workbench中的御用网格生成模块,如何利用mesh模块构建周期网格,就显得非常重要。

周期网格分为两类:旋转周期及平移周期。在ANSYS Mesh模块中,利用坐标系来区分这两类网格类型。周期网格区域要求周期面上网格节点一一对应,在ANSYS Mesh模块中,可以很方便的通过Symmetry功能模块中的Periodic Region功能达到这一目标。本例描述了如何在ANSYS Mesh模块中创建周期网格的步骤,在workbench中的项目结构如图1所示。

图1 项目组织结构

一、几何模型

本例包括两个计算模型,分别对应旋转周期与平移周期,为方便起见,这里使用最简单的几何模型。如图1,图2所示分别为旋转周期几何与平移周期几何。网格划分完毕后均用fluent进行测试。

图2 旋转周期

图3 平移周期(A面与其对边的面)

二、旋转周期边界

双击A2单元格,进入mesh模块。

在进行旋转周期边界创建之前,需要创建柱坐标系。如图4所示,在属性菜单Coordinate System上点击右键,选择子菜单Insert,在弹出的子菜单中选择Coordinate system,创建新的坐标系。

图4 插入坐标系

进行如图5所示设置。选择type为Cylindrical创建圆柱坐标系,origin设置为你的旋转中心,principal axis为径向坐标,orientation about principal axis为轴向坐标,自己根据实际情况设置。最关键的是旋转中心。

图5 坐标系创建

在Model上点击右键,选择 Insert > Symmetry,插入对称。如图6所示。

图6 插入对称

在插入的Symmetry节点上点击右键,选择Insert > Periodic Region,插入周期区域。如图7所示。

图7 插入周期区域

选择low boundary与high boundary,这两个边界为相对应的周期边界。最好是沿着旋转方向。设置type为Periodic,设置Coordinate System为前面创建的柱坐标系。

图8 设置周期

如图9所示选择相应的面。

图9 选择周期面

OK了,其他网格划分工作就没什么好说的了,该怎么划分还怎么划分。设置周期边界的作用在于保证周期面上的网格节点一致,否则在fluent中创建周期边界会出错。为了便于观察,这里使用四面体网格(其实这个模型在mesh中可以自动划分为六面体网格)。生成的网格如图10所示。从图中可以看出,周期面上网格节点数是映射对应的。

图10 网格模型

给模型边界命名:周期边界分别命名为sideA与sideB,其他随便给个名称。主要是用于fluent中周期边界的创建。

关闭mesh模块,返回工程项目窗口,先更新A3元格,然后双击B2单元格进入FLUENT。

在进行周期网格创建之前,先检查一下sideA与sideB所对应的ID号。

利用TUI命令mesh/modify-zones/list-zones列举区域,如图10所示,可以看出sizea与sizeb分别对应的id号为8和9.

图11 列举区域

好了,现在可以利用TUI创建周期边界了。

TUI命令:mesh/modify-zones/make-periodic,如图11所示。

在弹出的提示输入periodic zone中输入8,Shadow zone中输入9,后面的参数按提示输入(周期边界全部输入yes)。

图12 TUI命令创建周期边界

可以看出,创建了周期边界后,ID为9的边界sideb被删除掉了。我们可以查看boundary conditions中的sidea,其类型应该是自动被设置为了周期边界periodic。

至此,旋转周期边界创建结束。

三、平移周期边界

和旋转周期边界类似,所不同的是创建直角坐标系,而不是柱坐标系。这里不再赘述。

下面说的是用另一种方法创建周期边界:match control。

我们知道,流体计算中的周期边界只是要求边界上节点一一对应,所以我们对周期面上的网格进行控制就可以了,至于周期面的创建,反正都是要在fluent中完成。

进入mesh模块后,我们先创建一个坐标系。创建平移周期边界需要两个坐标系,但是我们这里可以使用默认坐标系。所以只需要再新建一个坐标系。如图13所示。

图13 创建坐标系

进行如图14所示的设置。注意图中的高亮部分。默认坐标系坐标原点(0,0,0),新建坐标系原点(0,0,0.05),因为我们的平移周期是沿着Z方向平移0.05m。

图14 坐标系设置

插入match control,如图15所示。

图15 插入匹配控制

照图16进行参数设定。

图16 参数设置

与前面相同,选择两个周期面,在transformation中选择arbitrary,默认为cyclic创建旋转周期边界,再选择两个坐标系:一个为默认坐标系,一个为新建坐标系。

这里选择arbitrary,程序会根据输入的坐标系统决定创建旋转周期还是平移周期。

为便于观察,我们划分四面体网格,生成网格如图17所示。旋转图形查看周期面上网格节点是否对应。

图17 网格

为周期面命名之后,关闭mesh模块。

进入fluent后的工作和前面所述完全一致,这里不再重复。如图18所示。

图18 FLUENT中创建周期边界

四、总结

(1)在mesh模块中可以利用symmetry定义周期计算域。一般有三类:symmetry,periodic及cyclic,其中symmetry用于结构分析,periodic用于静磁场分析,cyclic用于 结构与热分析。对于应用于流体计算来说,上面三种都可以使用。

(2)流体周期网格只是要求周期面网格节点映射对应,因此可以利用match control创建流体计算周期网格。

(3)在fluent中,需要利用TUI命令重新建立周期网格。