FLUENT中提供了6DOF模型,用于計算剛體在流體域空間的運動行為。該模型除了可以計算剛體模型的平移旋轉等運動規律之外,還可以實時計算剛體模型的受力、加速度以及速度。配合FLUENT強大的動網格能力,利用6DOF模型能夠模擬真實世界中的諸多現象。本例采用6DOF模型,配合VOF多相流模型,計算木制小球自空氣中墜入水中的過程。觀察小球墜落過程中流場變化情況,同時監測小球重心的運動規律。

1、模型考慮

真實模型是三維的,這里為了方便起見,采用二維模型考慮。所涉及的技術內容完全一致。幾何模型如圖1所示。

圖1幾何尺寸及模型圖2網格

模型尺寸如圖1所示。單位為mm。在CAD軟件中統計小球信息得到:

重心坐標(0,0,0),慣性矩Ixx = 2010619mm^4,Iyy=2010619mm^4,Izz=4021238.5mm^4,面積A=5026.548mm^2。對于平面模型計算,fluent默認拉伸厚度為1m,假設小球密度800kg/m^3,因此可以計算小球質量mass=800*5026.548e-6=4.021kg。

2、劃分網格

在ICEM CFD中生成全三角形計算網格,如圖2所示。設定上部邊界為pressure_outlet,矩形上其它三條邊為walls,小球邊界為movingWall。(此處可以生成邊界層網格,然后將邊界層網格添加至另外的計算域,讓該區域跟隨movingwall一起運動)。然后將模型導出為msh文件。

3、準備UDF

UDF比較簡單,如下所示。采用DEFINE_SDOF_PROPERTIES宏,給質量及三方向慣性矩賦值即可。

#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;

}

編譯并load此UDF。

4、sacle計算域

Fluent讀入msh文件,scale網格設定合適的單位。將網格尺寸及顯示尺寸均設為mm。如圖3所示。

圖3 Scale Mesh

5、General面板設置

設置Time為瞬態Transient,同時激活重力選項,設置重力加速度為Y方向-9.81m/s2。如圖4所示。

圖4 general面板設置

6、模型面板設置

設置VOF多相流模型,如圖5所示。設置body force formulation為Implicit Body Force。

圖5多相流模型

選擇湍流模型為標準k-epsilon模型,采用增強壁面函數。

6、材料

材料數據庫中添加water-liquid。

設置水為主相,空氣為第二相。如圖6所示。

7、邊界條件設置

本例中需要設置的邊界條件為出口邊界。該邊界設置為壓力出口,靜壓為0。如圖6所示。

圖6出口邊界設置

同時設置出口第二相組分為1.即出口全部為空氣。

8、動網格設置

激活動網格。在Dynamic mesh面板中,激活smoothing與Remeshing方法,同時勾選Six DOF選項。如圖7所示。

圖7動網格設置

點擊Mesh Methods的Settings進入參數設置面板,在smoothing標簽頁下設置Spring Constant Factor為0.5,進入remeshing標簽頁,進行圖8所示設置。

圖8 remeshing設置

關閉mesh method settings面板,進入six dof setting面板。進行如圖9所示設置。

圖9 6DOF設置

勾選Write Motion History,這樣運動數據即可寫入文本文件。

設置完畢后關閉6DOF設置面板。

創建運動區域,如圖10所示,指定運動區域為moving wall,勾選six dof options中的on選項。

圖10創建運動域

進入meshing options標簽頁,設置cell height為3mm,點擊create創建運動區域。

圖12設置網格高度

設置完畢后,保存case與data文件。

9、設置操作條件

進入cell zone conditions中的operation conditions,在彈出的operating conditions面板中設置參考密度為1.225,其他參數保持默認即可。如圖13所示。

圖13設置操作條件

10、求解參數設定

本例為演示,因此采用默認選項。在實際工程應用中,可以根據需要進行調整。

11、初始化

設置初始空氣體積分數為1,即整個計算域中全為空氣,后面我們利用patch將水添加進去。如圖14所示。

圖14初始化

12、Patch水

先要標記水所在的區域。點擊菜單Adapt > regions,進行如圖15所示設置。

圖15區域設置

點擊mark進行標記。

進入patch對話框,進行如圖16所示設置。

圖16 patch水位

13、其他設置

可以設置自動保存cas及dat文件,同時可以定義動畫文件,由于這些是基本操作,因此不再贅述。

14、計算設定

設置時間步長time size為0.001s,時間步數time step為3000,即計算3s情況。

設置內迭代數量為30,然后進行計算。

15、計算結果