动网格流沙版完美整理Word格式.docx

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FLUENT中关于网格更新方法有三种：

网格光顺、动态层、网格重构。

需要详细了解这些网格更新方法的运作机理，每个参数所代表的具体含义及设置方法，每种方法的适用范围。

动网格的最在挑战来自于网格更新后的质量，避免负体积是动网格调试的主要目标。

在避免负网格的同时，努力提高运动更新后的网格质量。

让网格动起来

（2）—PROFILE文件

这里要说的PROFILE文件，只针对利用于网格运动定义之用的瞬态profile文件。

其它类型的profile文件，可参阅FLUENT用户文档，里头有详细的描述。

在ANSYSFLUENT中，有两种方式用于指定瞬态网格区域及边界条件：

（1）与标准profile格式相同的瞬态profile文件

（2）表格格式的瞬态profile文件。

对于这两种方式，网格域及边界条件的变化均只与时间有关。

然而如果使用了in-cylinder模型，则用户可以使用crank角代替时间变量。

1、标准瞬态profile文件

一个标准瞬态profile文件格式如下：

（（profile-nametransientnperiodic?

）

（field_name_1a1a2a3…an）

（field_name_2b1b2b3…bn）

.

（field_name_rr1r2r3…rn）

注意：

（1）profile-name：

profile名，必须全部为小写字母，少于64个字符。

（2）transient为保留关键字，不可随便更改。

（3）n表示每一个场变量所包含的变量个数。

（4）periodic?

用于标识是否使用周期，1为使用时间周期，0表示不使用时间周期。

（5）通常field_name_1为time，后面的变量值为升序排列。

（6）所有的值，包括坐标值，都必须使用SI单位制。

fluent读入profile文件时不进行单位转换。

一个实际的例子：

（（sampleprofiletransient30）

（time123）

（u102030）

解读：

（1）profile名为sampleprofile，读入该profile文件后，合适的地方出现的变量名为sampleprofile。

（2）在3个时间点上定义了值，分别为1s，2s，3s。

其中1s时的x方向速度值为10m/s，2s时刻对应的速度值为20m/s，3s时刻对应的速度值为30m/s。

u,v,w是表示x,y,z三方向的速度，也可以使用v_x,v_y与v_z，旋转速度使用omega_x,omega_y,omega_z变量名。

一个使用crankangle替代time的例子：

（（exampletransient31）

（angle0180360）

（temperature300500300）

2、表格瞬态profile文件

表格格式与标准格式有很大的差异。

表格格式如下：

profile_namen_fieldn_dataperidoic?

field_1field_2field_3…field_4

v-1-1v-2-1………v-n_field_1

v-1-2v-2-2………v-n_field-2

v-1-n_datav-2-n_data………v-n_field-n_data

说明：

与标准格式类似，profile_name为profile名，体现在fluent中为运动变量名。

格式要求与标准格式一致：

小写，少于64个字符。

field_1通常为time，表示时间。

后方接着的是各个变量名。

v-1-1表示field_1的第一个值，依此类推，v-1-2表示第二个值。

按升序排列。

peridoic?

表示是否采用时间周期，1表示采用，0表示不采用。

一个例子：

sampleprofile230

timeu

110

220

330

第一行：

sampleprofile表示profile名，fluent读入此profile后，将会在使用profile的地方显示该profile名。

2表示两个场变量（time与u）或者说是表的列数，3表示一共有3个数据点或者说表有三行。

0表示不使用周期。

第二行：

定义场变量。

一共是两个场变量：

time与u，通常time放在第一个。

第三行到最后一行：

第一个值表示时间值，第二个值表示u的值。

定义了1s时的x方向速度值为10m/s，2s时刻对应的速度值为20m/s，3s时刻对应的速度值为30m/s。

若使用周期，则必须定义一个周期内的时间物理量的变化。

简单来说，就是最后一行的物理量的值与第一行物理量的值相同。

如下一个例子：

periodprofile241

010

120

230

310

也可以使用crankangle代替时间进行变量定义：

exaple231

angletemperature

0300

180500

360300

请注意：

使用列表形式的profile，只能使用TUI命令读入到fluent中：

file>

read-transient-table

让网格动起来（3）—实例1：

Profile定义运动

本次实例采用的场景来自于流体中高速飞行的物体。

如子弹、火箭、导弹等。

这里只是为了说明profile在动网格运动定义中的应用，因此为了计算方便不考虑高速问题。

问题描述如下图所示：

如图所示，1为运动刚体，2为计算域。

由于不考虑也没办法考虑刚体的变形，因此在构建面域的时候，将1中的部分通过布尔运算去除。

计算域总长度为300mm，其中固体运动最大位移为300-40-30-6mm=224mm。

为了防止固体边界与计算域边界发生重叠，我们使运动最大距离为200mm。

运动速度v=0.4t，这样可能计算运动完200mm需要的时间为1s。

采取5个时间数据点分别为：

0，0.25，0.5，0.75，1s，相对应的速度为：

0，0.1，0.2，0.3，0.4m/s。

profile文件如下：

（（moveVelocitytransient50）

（time00.250.50.751）

（v_x00.10.20.30.4）

（1）将计算域离散为网格。

由于三角形网格非常适合于2D动网格，因此本例使用三角形网格。

若要使用四边形网格，则需要进行滑移面处理。

详细的说明将留待以后网格更新的时候进行。

同样的，也不进行边界层处理。

简化问题描述，设定四周为wall壁面，中间区域为rigidwall，在动网格中进行设定。

全局网格尺寸为2mm，运动边界网格尺寸1mm，网格单元总数19671，节点总数9832。

（2）启动fluent，读入msh文件

选择2D求解器，勾选双精度选项。

检查单位，确保使用的单位为mm。

选用瞬态求解器。

general中的其它选项采取默认。

如下图所示。

（3）选用标准k-e湍流模型，材料使用水。

设定cellzonecondition将默认域介质设定为water。

由于本例使用全封闭计算域，所有边界类型为wall，所以boundarycondition采用默认设置。

（4）读入profile文件

利用file>

profile…菜单读入已准备好的profile文件。

（5）激活动网格选项

勾选smoothing、layering、remeshing选项。

各选项的参数设置分别如下图所示。

（6）定义运动区域

定义中间刚体壁面为rigidbody，选择运动profile为读入的profile文件movevelocity，设置meshingoptions中的cellheight为1mm。

该参数用于网格的分裂与合并。

当网格高度大于1.4时进行分裂，小于0.2时合并。

预览zone的运动与网格运动。

注意在预览网格运动之前保存case文件。

（7）定义其它选项

如动画、节点物理量监测等。

（8）总结

对于类似本例的纯外流场问题，通过都不利用动网格进行计算。

主要原因在于：

（1）网格发生运动后的质量不好，通常都会低于原始网格质量。

（2）动网格计算开销比较大。

因为每次网格运动时要计算网格节点的位置。

要例所示的问题，一般使用相对运动的原理：

刚体不动，运动的是流动介质。

然而在一些特殊的场合（比如火箭发射后的整流罩分离等）则必须使用到动网格。

让网格动起来（4）—动网格UDF宏

虽然瞬态PROFILE文件可以在一定程度上定义网格运动，然而其存在着一些缺陷。

最主要的一些缺陷存在于以下一些方面：

（1）PROFILE无法精确的定义连续的运动。

其使用离散的点值进行插值。

如果想获得较为精确的运动定义，势必要定义很多点。

（2）一些情况下无法使用profile。

比如稳态动网格。

在FLUENT中定义网格运动，更多的是采用UDF宏。

fluent中与动网格有关的UDF宏一共有5个，其中四个用于常规的网格运动定义，一个用于6DOF模型。

这些宏分别为：

DEFINE_CG_MOTION、DEFINE_DYNAMIC_ZONE_PROPERTY、DEFINE_GEOM、DEFINE_GRID_MOTION、DEFINE_SDOF_PROPERTIES

动网格宏只能为编译型UDF。

1、DEFINE_CG_MOTION

最常用的运动网格宏。

用户可以使用该宏定义每一时间步上的线速度或角速度来指定fluent中某一特定区域的运动。

DEFINE_CG_MOTION（name,de,vel,omega,time,dtime）

参数说明：

name：

UDF的名字。

体现在fluent中表现为可选择的函数列表。

Dynamic_Thread*dt：

存储了用户所指定的动网格属性和结构指针。

realvel[]：

线速度。

vel[0]为x方向速度，vel[1]为y方向速度，vel[2]为z方向速度

realomega[]：

角速度。

与线速度定义相同。

realtime：

当前时间。

realdtime：

时间步长。

函数返回值为：

void

从函数的参数类型，配合c语言的参数调用方式可知，vel,omega为数值类型，属于传入类型。

因此只需在函数体中显式定义vel与omega即可将速度传入fluent求解器。

time与dtime是用于定义速度的。

详细实例可参看fluentudf文档p182。

2、DEFINE_DYNAMIC_ZONE_PROPERTY

该宏能用于以下一些场合：

（1）在in-cylinder应用中定义旋转中心。

（2）定义变化的网格层高度。

第一种用法：

DEFINE_DYNAMIC_ZONE_PROPERTY（name,dt,swirl_center）

UDF名。

Dynamic_Thread*t：

指向存储动网格属性结构的指针。

若没有动态区域位于当前计算的旋转中心，则fluent内部将该参数设置为NULL.

real*swirl_center：

swirl_center为一个具有3个元素的数值，表示旋转中心的x,y,z坐标。

返回值为:

void。

具体实例可参看udf手册p183。

第二种用法：

在使用动态层方法时定义变化的网格高度。

参数与第一种用法略有不同。

DEFINE_DYNAMIC_ZONE_PEOPERTY（name,dt,height）

UDF名

Dynamic_Threaddt：

指向存储动网格属性结构的指针

real*height：

一个实数指针，指向动态层高度为时间或crank角的函数。

返回值：

具体实例参看fluentudf手册P185

3、DEFINE_GEOM

用户可以使用此宏定义变化区域的几何。

默认情况下，ansysfluent提供了机制用于定义节点沿平面或柱面运动。

当ansysfluent更新了变形区域上的节点时（例如通过弹簧光顺或局部面重构之后），会通过调用DEFINE_GEOM宏重新定位节点。

请注意该宏只能作为编译型UDF使用。

函数说明：

DEFINE_GEOM（name,d,dt,position）

UDF名

Domain*d：

指向计算域的指针

指向存储用户指定的动网格参数的指针

real*position：

指向存储位置信息的数组。

此函数没有返回值。

详细实例可参阅FLUENTUDF手册P187.

4、DEFINE_GRID_MOTION

默认情况下，ANSYSFLUENT通过使用固体运动方程来更新动态区域的节点位置。

这意味着动态区域的节点之间没有相对运动。

但是如果用户需要独立的控制每一个节点的运动的话，则可以通过使用DEFINE_GRID_MOTION宏来实现。

例如网格运动UDF可以更新由于流固耦合所导致的弯曲形成的节点坐标。

此UDF宏只能用于编译型。

DEFINE_GRID_MOTION（name,d,dt,time,dtime）

计算域指针

指向存储了动网格参数的结构的指针

当前时间

时间步

返回类型：

具体实例可参阅FLUENTUDF手册P188

让网格动起来（5）—配置UDF编译环境

FLUENTUDF中关于动网格的DEFINE宏均要求为编译型。

FLUENT的UDF运行环境有两种：

解释型与编译型。

虽然两种方式都是采用编译，但是编译方式及编译后获得的结果是不同的。

编译型UDF需要通过Complied进行编译，编译后得到相应的dll文件。

而解释型UDF则是通过Interprete进行加载，不会生成dll文件。

据我的直觉，编译型UDF可能利用了钩子函数的技术。

一、编译型UDF与解释型UDF的差异（翻译自UDF手册）

1、解释型UDF

一个精简的平台

都能被作为编译型UDF使用

不需要C编译器（利用FLUENT自身的编译器）

比编译型UDF反应慢

在方法方面受到较多的限制

无法被链接到编译系统或其它库

只能使用预定义宏访问存储于ansysfluent中的数据

2、编译型UDF

比解释型UDF反应迅速

没有诸多C语法限制

能够使用其它语言编写的函数

当具有一些解释型UDF不能处理的功能时，无法作为解释型UDF使用

3、选取原则

对于小型的、简单的功能，使用解释型UDF

复杂功能使用编译型UDF。

（如具有较大的CPU开销、需要访问公共库）

二、配置UDF编译环境

对于编译型UDF，在fluent中加载时，需要调用C编译器将其编译成DLL文件。

这里的C编译器虽说理论上是没有任何限制的，但是在windows环境下还是推荐使用microsoftvisualc++，在linux环境下推荐使用GCC。

我们这里只说windows环境下编译环境的配置问题。

visualc++最高版本是6.0，再往后就是microsoftvisualstudio7.0、8.0、9.0、10.0。

其中7.0对应microsoftvisualstudio2003，8.0对应2005，9.0对应2008，10.0对应2010。

在一些老版的fluent中，通常需要配置环境变量。

配置环境变量的方法，网络上很多，可以搜索。

这里讲的是通过修改udf.bat文件来配置编译环境。

在fluent12.0之后的版本中，可以通过修改udf.bat文件的方式进行编译环境配置。

该文件位于

xx\ANSYSInc\v140\fluent\ntbin\win64目录下。

本人安装的fluent是64bit的，版本为14.0。

不同版本的fluent，该文件所处的位置可能不同。

大家可以利用windows的文件搜索功能寻找该文件。

注意若是安装了icepak，则会有两个udf.bat文件，一定要注意我们只针对fluent目录下的该文件。

我们用记事本打开此文件，由于本机上安装的是microsoftvisualstudio2010，因此只需要关注图中橙色线框中的部分。

现在来分析橙色框中的语句。

有过DOS经验的人可能嫌我罗嗦，不过我还是要说一下。

因为现在有DOS经验的人越来越少了。

（1）第8行：

echo是dos中助于在屏幕上写出一段文本。

这与c语言中的printf，c#中的Console.WriteLine，JAVA中的System.Print的功能是一样的，只是在屏幕上打出后面一段文字，我们可以忽略了。

（2）第10行：

设定MSVC_DEFAULT的值。

其实是一个赋值语句。

容易理解。

一会儿需要动它。

（3）第11行：

ifexist是判断，判断后面的vcvarsall.bat文件是否存在，若存在，则设置变量MSVC的值。

（4）第12行：

判断MSVC是否为空，若不为空，则进入msvc_env100标记行。

找到该标记行，其内容位于86~89行。

该标记行的内容为：

（1）设定msvc_version为100

（2）调用vcvarsall.bat文件，利用amd64，因为我安装的fluent版本是64bit，若32bit版本会有所不同。

（5）跳转到ms_c_end行，该行是一个结束标记行。

看起来复杂，其实人们要做的工作很少。

用户所要做的仅仅是修改第10行的内容。

修改microsoftvisualstudio的安装路径。

若vc是全默认安装，则什么都不需修改，否则改为正确的路径。

如本机的microsoftstudio安装在d:

\programfiles目录下，只需将第10行修改为：

setMSVC_DEFAULT=D:

\ProgramFiles\MicrosoftVisualStudio10.0

就可以了。

剩下要做的工作是：

在fluent启动面板中勾选Environment标签页下的setupcompilationEnvironmentforUDF选项。

该选项默认是选中的，且不同的版本该选项所处的位置可能有所不同。

三、总结

配置12.0以上fluentUDF编译环境，需要进行的工作：

（1）找到fluent安装目录下的udf.bat文件

（2）打开udf.bat文件，修改对应本机安装的microsoftvisualstudio版本的路径

OK了！

这种方式配置UDF编译环境不需要考虑计算机的操作系统。

让网格动起来（6）—动网格参数图解

Fluent的动网格设置，主要是通过dynamicmesh面板进行设置。

动网格面板如下图所示。

主要包括两部分内容：

（1）MeshMethods

（2）DynamicMeshZones。

另外还包括网格域运动预览及网格运动预览。

整个动网格面板通过勾选DynamicMesh选项而激活。

1、MeshMethods（网格更新方法）

该部分主要用于网格或网格域在运动过程中，设置计算域中网格节点位置更新方法。

fluent中有三种主要网格更新方法：

（1）网格光顺方法

（2）动态层方法（3）网格重构。

对于3D模型，还包括in-cylinder、six-dof、ImplicitUpdate三种选项。

其中in-cyliner用于发动机气缸模拟，six-dof主要用于流体作用于刚体，预测刚体运动。

implicitupdate用于设定网格更新方式。

默认采用显式方式，勾选此选项可设定网格以隐式方式更新。

2、动态网格域

用于定义网格运动的区域及运动类型。

FLUENT中网格运动类型主要有：

静止、刚体运动、变形区域、用户自定义域、耦合域。

静止域在网格运动过程中，区域内节点位置保持不变。

虽然说默认情况下不设定区域运动，则该区域为静止，但是一些情况下还是需要显式设定某些区域为静止域，尤其是在一些与刚体域相连的区域处理上。

刚体运动域：

这是fluent动网格中最常见的运动类型。

通过规定刚体的速度或位移来控制运动。

变形域：

由于边界运动导致节点变形。

变形域通常与刚体域是相连的。

自定义域：

用户可以使用UDF定义自己需要的域

耦合域：

节点位移由耦合求解器计算，在流固耦合计算中，耦合面上通常设定为耦合域类型。

让网格动起来（7）—网格光顺

FLUENT中的网格光顺（smoothing）主要采用两种方法：

弹簧光顺与扩散光顺。

其中弹簧光顺包含有：

弹簧光顺、边界层光顺、拉普拉斯光顺。

扩散光顺分为：

基于壁面距离的扩散光顺与基于单元体积的扩散光顺。

一、弹簧/拉普拉斯/边界层光顺

1、弹簧光顺需要设置的参数

主要有四个参数需要设置：

SpringConstantFactor（弹簧常数因子），BoundaryNodeRelaxation（边界节点松弛），ConvergenceToler