Fluent中动网格功能在各个行业中的仿真应用

本文摘要（由AI生成）：

Ansys Fluent软件的动网格功能，可以模拟流场形状随时间变化的问题，尤其擅长解决各类极具挑战性的变形与运动流体仿真问题。动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题，边界的运动形式可以是预先定义的运动，也可以是预先未做定义的运动。在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参予运动的区域。不同区域之间的网格不必是共节点的，可以在模型设置中用Fluent软件提供的非共节点交界面功能将各区域连接起来。Fluent中的动网格功能在各个行业中都有应用案例，包括生物医疗、航空航天、汽车、兵器、能源、仿生学等。

Ansys Fluent软件的动网格功能，着眼于非定常运动边界的相关问题，尤其擅长解决各类极具挑战性的变形与运动流体仿真问题，目前已经广泛的应用在航空、航天、汽车、兵器、能源、生物等行业。

1       Fluent动网格（Dynamic Mesh）功能概述

动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的问题。边界的运动形式可以是预先定义的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以是预先未做定义的运动，即边界的运动要由前一步的计算结果决定。网格的更新过程由 Fluent 根据每个迭代步中边界的变化情况自动完成。

在使用动网格模型时，必须首先定义初始网格、边界运动的方式并指定参予运动的区域。可以用分布文件（Profile）或者 UDF 定义边界的运动方式。Fluent 要求将运动的描述定义在网格面或网格区域上。如果流场中包含运动与不运动两种区域，则需要将它们组合在初始网格中以对它们进行识别。那些由于周围区域运动而发生变形的区域必须被组合到各自的初始网格区域中。

不同区域之间的网格不必是共节点的（Comformal）的，可以在模型设置中用 Fluent 软件提供的非共节点交界面（Non-Comformal Interfaces）功能将各区域连接起来。   

图1 Fluent 中的动网格功能

2       动网格更新方法介绍

动网格计算中网格的动态变化过程可以用三种模型进行计算，即动态层铺法（Dynamic Layering）、弹簧光顺法（Spring-Based Smoothing）和局部重构法（Local Remeshing）。

2.1       动态层铺法（Dynamic Layering）

对于棱柱型网格区域（六面体和或者三棱柱），可以应用动态层铺法。动态层铺法的中心思想是根据紧邻运动边界网格层高度的变化，添加或者减少动态层，即在边界发生运动时，如果紧邻边界的网格层高度增大到一定程度，就将其划分为两个网格层；如果网格层高度降低到一定程度，就将紧邻边界的两个网格层合并为一个层。

图2 动态层铺法（Dynamic Layering）

动态层铺法的优势有以下几个方面：

（1）计算速度快，占用内存小。

（2）层状网格计算精度相对较高。

动态层铺法的应用有如下限制：

（1）与运动边界相邻的网格必须为楔形或者六面体（二维四边形）网格。

（2）在滑动网格交界面以外的区域，网格必须被单面网格区域包围。

（3）如果网格周围区域中有双侧壁面区域，则必须首先将壁面和阴影（Wall & Wall-Shadow）区分割开，再用滑动交界面将二者耦合起来。

如果移动边界为内部边界，则边界两侧的网格都将作为动态层参与计算。如果在壁面上只有一部分是运动边界，其他部分保持静止，则只需在运动边界上应用动网格技术，但是动网格区与静止网格区之间应该用滑动网格交界面进行连接。

2.2       弹簧光顺法（Spring-Based Smoothing）

在弹簧近似光滑模型中，网格的边被理想化为节点间相互连接的弹簧。移动前的网格间距相当于边界移动前由弹簧组成的系统处于平衡状态。在网格边界节点发生位移后，会产生与位移成比例的力，力量的大小根据胡克定律计算。边界节点位移形成的力虽然破坏了弹簧系统原有的平衡，但是在外力作用下，弹簧系统经过调整将达到新的平衡，也就是说由弹簧连接在一起的节点，将在新的位置上重新获得力的平衡。从网格划分的角度说，从边界节点的位移出发，采用胡克定律，经过迭代计算，最终可以得到使各节点上的合力等于零的、新的网格节点位置，这就是弹簧光顺法的核心思想。

图3 弹簧光顺法（Spring-Based Smoothing）

原则上弹簧光顺法可以用于任何一种网格体系，但是在非四面体网格区域（二维非三角形），最好在满足下列条件时使用弹簧光顺方法：

（1）移动为单方向。

（2）移动方向垂直于边界。

如果两个条件不满足，可能使网格畸变率增大。

2.3       局部重构法（Local Remeshing）

在使用非结构网格的区域上一般采用弹簧光顺模型进行动网格划分，但是如果运动边界的位移远远大于网格尺寸，则采用弹簧光顺模型可能导致网格质量下降，甚至出现体积为负值的网格，或因网格畸变过大导致计算不收敛。为了解决这个问题，Fluent 在计算过程中将畸变率过大，或尺寸变化过于剧烈的网格集中在一起进行局部网格的重新划分，如果重新划分后的网格可以满足畸变率要求和尺寸要求，则用新的网格代替原来的网格，如果新的网格仍然无法满足要求，则放弃重新划分的结果。

图4 局部重构法（Local Remeshing）

在重新划分局部网格之前，首先要将需要重新划分的网格识别出来。Fluent 中识别不合乎要求网格的判据有二个：

（1）网格畸变率（Skewness）。

（2）网格尺寸，包括最大尺寸和最小尺寸。

在计算过程中，如果一个网格的尺寸大于最大尺寸，或者小于最小尺寸，或者网格畸变率大于系统畸变率标准，则这个网格就被标志为需要重新划分的网格。在遍历所有动网格之后，再开始重新划分的过程。局部重划模型不仅可以调整体网格，也可以调整动边界上的表面网格。

需要注意的是，局部重划模型仅能用于四面体网格和三角形网格。在定义了动边界面以后，如果在动边界面附近同时定义了局部重划模型，则动边界上的表面网格必须满足下列条件：

（1）需要进行局部调整的表面网格是三角形（三维）或直线（二维）。

（2）将被重新划分的面网格单元必须紧邻动网格节点。

（3）表面网格单元必须处于同一个面上并构成一个循环。

（4）被调整单元不能是对称面（线）或周期性边界的一部分。

动网格的实现在 Fluent 中是由系统自动完成的。如果在计算中设置了动边界，则 Fluent 会根据动边界附近的网格类型，自动选择动网格计算模型。如果动边界附近采用的是四面体网格（三维）或三角形网格（二维），则 Fluent 会自动选择弹簧光顺模型和局部重划模型对网格进行调整。如果是棱柱型网格，则会自动选择动态层模型进行网格调整。在静止网格区域则不进行网格调整。

2.4       动网格更新方法小结

使用弹簧光顺法时，网格类型没有要求，网格拓扑也始终不变，可以保证计算精度。但弹簧光顺法不适用于大变形情况，当计算区域变形较大时，变形后的网格会产生较大的倾斜变形，从而使网格质量变差，严重影响计算精度。

动态层铺法在生成网格方面具有快速的优势，但它的应用也受到了一些限制。主要是运动边界附近的网格必须为六面体或三棱柱，这对于复杂外形的流场区域是难以获取的。

局部重构法要求网格为三角形（二维）或四面体（三维），这对于适应复杂外形是有好处的，但相应的计算时间会相应的增加。

3       Fluent 的动网格功能在各个行业的应用案例：

3.1       生物医疗

该案例使用ANSYS Fluent对一个成人的呼吸道和支气管进行了周期性呼吸的流场分析模拟，用动网格模型描述了血管壁的扩张和收缩，将对应的运动速度曲线分配给入口，并在出口的位置使用压力边界。仿真得到的结果可以用来检查细颗粒的轨迹，代表由吸入器输送的药物。类似的模拟分析为许多其他相关研究提供了更为简洁和便利的工作思路，例如研究药物颗粒在肺部的分散均匀性，从而优化吸入器的产品设计。

图5 生物医疗行业中的动网格

3.2       航空航天

机翼的颤振是气动弹性力学中最重要的问题之一，如果处理不当，可能会发生灾难性的结构变化，导致巨大的事故。Fluent中的动网格功能可以帮助我们计算机翼的颤振情况，为我们的设计提供数据支撑；同时，仿真的整个过程经济、高效，不会增加额外的人员风险和安全性问题，是飞行器设计方法中值得信赖的好帮手。

机载导弹弹射分离也是一个需要着重研究的技术问题，在设计的过程中，投弹的时机、弹射力、飞行器姿态等因素都会对整个过程产生影响。Fluent 的动网格技术结合6DOF模型可以很好的研究这一过程的整体情况，并且在长期的CFD仿真实践中，该模型的计算精度得到了广泛的认可和数据支撑。

图6航空航天行业中的动网格

3.3       兵器发射

同心筒导弹发射技术广泛应用在大型火箭（如运载火箭等）和海基（舰载）发射装置上，主要通过同心筒的几何特征，对热发射武器的尾焰进行方向控制，从而减少对其他装备和人员的影响。动网格技术在早期的发射动力学CFD仿真中就已经得到了广泛的引用，由于该技术可以描述导弹从点火到发射的整个流程，因此是研究导弹动力、尾焰影响、设备环境温度等问题的最佳方法。

易碎盖的CFD分析，主要利用了6DOF模型进行研究，可以仿真从易碎盖破裂到飞散的整个过程，从而准确判断各个碎盖的运行轨迹，降低发射过程中意外碰撞发生的风险。

图7兵器发射行业中的动网格

3.4       风力发电

风力发电机在工作的工程中，由于风载荷较大，叶片又相对细长，因此容易产生较大的形变，从而对风机的工作效率和安全性造成影响。使用动网格与流固耦合（FSI）技术，可以准确计算旋转运动过程中，叶片的载荷变化，从而计算得到结构的应力、应变和位移；随后，该位移可以通过动网格方法反作用给流场，从而计算结构变形对流场的影响。

图8风力发电行业中的动网格

3.5       汽车内燃机

传统汽车行业的CFD研究已经广泛的应用在各个部件和整车之中。其中，与网格运动相关的问题，最典型的分析莫过于内燃机的仿真计算了。Fluent的动网格技术可以描述活塞缸的整个工作过程，并与燃烧、多组分、传热分析等模型耦合计算。同时，Fluent中具备的Event技术可以自动排列活塞缸运动的工作时序，实现动网格方式和边界变化自动布局，从而提供最为高效、准确的仿真方法。

图9 汽车内燃机中的动网格

3.6       旋转机械

Fluent中的多重参考系和滑移网格功能，给旋转机械的仿真问题提供了经济、高效的计算方法。但是对于部分复杂的问题，或需要更精确计算的情况，多重参考系和滑移网格恐怕难以匹配实际的需求。此时，就必须要使用 Fluent中的动网格功能。比如：泵的空化问题、多相流问题、缝隙渗漏问题等情况，对于这一类需要明确描述边界运动的情况，动网格功能就可以派上用场，并且大显身手。

图10 旋转机械行业中的动网格

3.7       仿生学分析

仿生学分析中有一个重要的分支，它以生物的运动规律作为参考，吸取其中的优势和技巧，最后应用在实际的工业品中。Fluent中的动网格技术，使得这种仿生的分析方式得以实现，并且整个研究过程可以达到经济与高效的目的。像海豚的游泳姿态、苍蝇的飞行轨迹、翅膀的拍打动作等，都是大自然智慧的结晶，人们总是希望从中学习到这些运动的奥秘之初。为此，使用 Fluent软件进行仿生学仿真分析，已经成为了一些专业的研究方向。

          图11 仿生学中的动网格