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113、Fluent UDF实现无网格的障碍物扰流

Fluent学习笔记

5小时前浏览4

1. 障碍物扰流

一般我们模拟障碍物流动都需要将障碍物画出来，然后进行流动计算。但是如果障碍物比较复杂，一方面障碍物比较难以建模，另一方面还会大大拉低网格质量，可能会导致计算收敛性不好。

于是我突然胡思乱想，是否可以不需要单独建模和画网格，而根据障碍物坐标，通过UDF来实现流体障碍物流动？

2. 方法1：Fixed value固定障碍物区域速度为0

首先想到的就是直接将障碍物区域的速度强行设置为0，即使用Cell Zone Conditions→Fixed Values中固定速度为0

UDF很容易写，即首先要知道障碍物的坐标信息，然后根据障碍物坐标来令此区域x方向和y方向的速度均为0。

比如，我们在流场中的障碍物为圆，障碍物坐标如下图

UDF代码：

#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(fixed_value_xy, t, i){    cell_t c;    real xc[ND_ND];    real x, y;    begin_c_loop(c, t)    {        C_CENTROID(xc, c, t);        x = xc[0];        y = xc[1];        if ((x-6)*(x-6)+ (y - 5) * (y - 5)<=0.8)        {            C_UDMI(c, t, 0) = 1;            F_PROFILE(c, t, i) = 0;        }        else        {            C_UDMI(c, t, 0) = 0;        }    }    end_c_loop(c, t)}

分别在Fixed_value的x和y方向速度上hook这个UDF

可以查看UDM确实是指障碍物位置才等于1，其余部分等于0

但是却没有产生任何障碍物扰流效果，这说明这种方式不可行

Fixed_value作用机理

实际上，仔细分析也可以想明白。固定速度只是数值约束，不是物理阻力。它是一个硬约束条件，强行把速度设置为 0；并不会引入任何动量交换或剪切效应；该区域就像一个“冻结”的流体区域，不具有“阻挡”或“扰动”的能力。

周围流体会“忽略”它，真实绕流中，流体与障碍物表面有相互作用（壁面摩擦、压强分布）；Fixed Value 区域没有这种边界行为，它更像是一个“静止的流体包”。

3. 方法2：通过动量源项实现

通过设置动量源项，使得某一特定区域的速度恰好为0，这样就可以实现障碍物效果，而且通过动量源项只是在方程中添加了源项，并没有违背物理规律。

比如还是上面的例子，设置圆形区域动量为-1e5。代码如下：

#include "udf.h"DEFINE_SOURCE(mom_source, c, t, dS, eqn){  real source = 0.;  real xc[ND_ND];  real x, y;  C_CENTROID(xc, c, t);  x = xc[0];  y = xc[1];  if ((x - 6) * (x - 6) + (y - 5) * (y - 5) <= 0.8)  {    source = -1e5;    dS[eqn] = 0.0;  }  return source;}

速度云图如下。可以看到似乎已经出现了障碍物的效果

这种方式已经接近障碍物扰流了，但难点在于，动量源项难以控制某一区域速度为0。如果给的动量源项过大，可能会出现流体反向流动现象

4. 方法3：高阻力多孔介质区

通过在流场中定义一个“高阻力多孔介质区”来模拟障碍物，将整个区域设置成多孔介质，然后使用UDF将固定区域并赋予极大的粘性阻力系数，使流体在这个区域内几乎无法流动，相当于一个虚拟实体障碍物，即可逼近真实的绕流场。

UDF代码如下：

#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(resistance_xy, t, i){  face_t f;  real xc[ND_ND];  real x, y;  begin_f_loop(f, t)  {    F_CENTROID(xc, f, t);    x = xc[0];    y = xc[1];    if ((x-3)*(x-3)+ (y - 5) * (y - 5)<=0.3)    {      F_PROFILE(f, t, i) = 1e107;      F_UDMI(f, t, 0) = 1;    }    else    {      F_PROFILE(f, t, i) = 0.0;      F_UDMI(f, t, 0) = 0;    }  }  end_f_loop(f, t)}