[本例內容來源于fluent官方教程]

現實生活中經常存在這樣的模型:物體在運動的同時,還包含著旋轉。換句話說,即其在公轉的同時還存在自轉現象。例如運動的割草機,其整體在運動,同時其割草部件在告訴旋轉。同樣的例子還有很多,比如吸塵器、旋轉飛行的足球等等。ANSYS FLUENT13.0之后的版本提供了嵌入式滑移網格模型,允許用戶對這一現象進行模擬,從而可以替代動網格,因此在某種程度上保證了網格質量,也不會喪失太多的精度。

圖1 幾何描述

1、幾何描述

本例幾何描述如圖1所示。本計算域為一個封閉系統,其中包含一個十字旋轉區域(直徑0.1m),其圓心偏離計算域中心區域在x及y方向上均為0.1m。旋轉區域fluid-rotor順時針旋轉速度為2rad/s,旋轉區域fluid-circle圓心位于計算域中心,其沿逆時針旋轉速度為1rad/s。工作流體為液態水,其密度1000kg/m3,粘度0.001kg/m-s。

2、前期UDF準備

本例需要UDF計算fluid-rotor區域圓心坐標。我們這里利用DEFINE_ZONE_MOTION宏。

程序代碼如下:

#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;

}

程序解釋:

(1)omegar變量定義為fluid_rotor的旋轉角速度,omegac定義為fluid_circle區域的旋轉角速度。由右手定則確定旋轉方向。

(2)theta0為fluid_rotor的初始圓心位置與計算域圓心間的角度。Radr為fluid_rotor中心到計算域中心的距離。由于本例中fluid_rotor為旋轉,因此該半徑為定值。

(3)thetap1為在當前時間步旋轉的角度。*omega=omegar,此條語句的作用為將速度矢量賦值給omega以傳入求解器。

(4)ox1及oy1為計算的當前fluid_rotor圓心位置。并將其值賦值給origin數組。

3、fluent模型設置

導入msh文件,選擇瞬態計算,利用starnd k-e湍流模型,采用標準壁面函數。

選擇材料為water-liquid,修改密度1000kg/m3,粘度0.001kg/m-s。

設置三區域介質為water-liquid。

4、加載UDF

本例udf可以采用解釋型,也可以采用編譯型。

【define】> 【user-defined…】>【functions】>【interpreted udfs】,彈出設置對話框,如圖2所示。選擇創建的udf源文件。點擊interpret。

圖2 解釋udf

4、區域設置

Fluid-outer設置介質為water-liquid,其他保持默認。該區域為靜止。

Fluid-circle設置如圖3所示。

圖3 circle區域設置

勾選mesh motion選項,注意relative to cell zone為absolute,設置旋轉速度speed為1rad/s。注意此處選擇absolute,表示fluid-circle的絕對旋轉速度為1rad/s。

Fluid-rotor區域設置如圖4所示。

圖4 rotor區域設置

與circle區域設置類似,不過選擇relative to cell zone為fluid-circle,表示該區域是相對于fluid-circle區域運動的。同時設置zone motion function為rotor。

5、邊界條件設置

本例為封閉系統,為簡便起見,壁面采用默認設置,即無滑移壁面邊界。

本例需要建立兩組interface,即fluid-rotor與fluid-circle之間,fluid-circle與fluid-outer之間。如圖5所示。

圖5 建立interface對

6、其他設置

Solution methods:壓力耦合采用coupled方法。其他采用默認選項。

Solution controls:采用默認設置。

初始化:采用默認設置初始化即可。

動畫設置:可以錄制速度及壓力等物理量云圖動畫。

時間步長:Δt = (0.0349066 rad) /(2 rad/sec) = 0.0174533 sec,我們假定每時間步旋轉2°,即0.0249066rad,以最大速度2rad/s進行計算。時間步數取1800,即旋轉10圈。如圖6所示。

圖6 計算設置

7、計算結果

8、總結

(1)這類公轉+自轉的問題,既可以使用動網格實現,也可以采用fluent中的嵌入式滑移網格實現。

(2)此例中兩區域均為旋轉運動,對于滑移網格特點,平移運動也可以實現。

(3)采用嵌入式滑移網格,避免了網格重構的網格質量損失。