Fluent动网格【5】:部件变形

时间:2024-03-11 20:16:33

在动网格中关于部件运动除了指定刚体运动外,有时还需要指定某些边界的变形,这种情况经常会遇到,尤其是与运动部件存在相连接边界的情况下,如下图中边界1运动导致与之相连的边界2和边界3发生变形。

Fluent中预制了三种变形方式:

  • faceted
  • plane
  • cylinder

除此以外,Fluent还允许用户通过UDF宏DEFINE_GEOM自定义边界变形。

faceted

选择此类型的变形,则意味着对边界的变形不加控制,变形边界的形状取决于刚体运动。

此方式不需要定义变形参数。

plane

定义几何变形方式为plane意味着该几何上的所有的节点,只能在此平面内运动。

平面的定义采用点和法线方式定义。如图所示。

cylinder

采用cylinder方式,则意味着该几何上的所有节点在变形过程中,只能在所定义的圆柱面上运动。

定义 圆柱面采用的参数包括:圆柱半径、轴上的一个点的坐标以及轴的方向矢量。其中轴的方向矢量(图中的cylinder axis)同时还定义了圆柱的高。

user-defined

用户自定义方式则是采用UDF宏DEFINE_GEOM进行定义。

此宏的结构很简单,定义形式为:

DEFINE_GEOM(name ,d , dt, position)

其中:

name:为UDF名称,用户自己取名字。

d:一个指向区域的指针,由Fluent传入。类型为Domain *d

dt:一个存储动网格属性的结构体指针,由Fluent传入。类型为Dynamic_Thread *dt

position:存储网格节点位置的数组指针。类型为real *position。

在此宏中,除了name是用户指定的之外,其他参数均为Fluent传入,用户通过更改position指针数据来将新的网格节点位置返回至fluent。

UDF实例

下列UDF定义了一个绕Z轴旋转的抛物面变形体。

除了利用Profile进行运动指定之外,Fluent中还可以使用UDF宏来指定部件的运动。其中用于运动指定的宏主要有三个:

  • DEFINE_CG_MOTION
  • DEFINE_GEOM
  • DEFINE_GRID_MOTION

今天主要看第一个UDF宏DEFINE_CG_MOTION。

用途

DEFINE_CG_MOTION宏主要用于描述刚体的运动。所谓“刚体”,指的是在运动过程中部件几何形状不会发生任何改变,只是其质心位置发生改变。

在定义刚体的运动时,通常以速度方式进行显式定义。

形式

DEFINE_CG_MOTION宏的结构很简单。

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

其中:

name:为宏的名称,可以随意定义

dt:一个指针Dynamic_Thread *dt,存储动网格属性,通常不需要用户干预。

vel:平动速度,为一个数组,其中vel[0]为x方向速度,vel[1]为y方向速度,vel[2]为z方向速度。

omega:转动速度,omega[0]为x方向角速度,omega[1]为y方向角速度,omega[2]为z方向角速度。

time:当前时间。

dtime:时间步长。

DEFINE_CG_MOTION宏实际上是要返回数据vel或omega。__

实例

实例1:利用DEFINE_CG_MOTION宏定义速度:

\[u_x = 2 sin(3t) \]

可以写成:

#include "udf.h"
DEFINE_CG_MOTION(velocity,dt,vel,omega,time,dtime)
{
  vel[0] = 2* sin(3*time); 
}

很简单,对不对?

再来个复杂点的例子。

实例2:已知作用在部件上的力F,计算部件在力F作用下的运动。

可以采用牛顿第二定律:

\[\int_{t_0}^{t}{dv}=\int_{t_0}^{t}{(F/m)}dt \]

则速度可写为:

\[v_t = v_{t-\Delta t}+(F/m)\Delta t \]

可写UDF宏为:

/************************************************************
* 1-degree of freedom equation of motion (x-direction)
* compiled UDF
************************************************************/
#include "udf.h"
 
static real v_prev = 0.0;
static real time_prev = 0.0;
 
DEFINE_CG_MOTION(piston,dt,vel,omega,time,dtime)
{
  Thread *t;
  face_t f;
  real NV_VEC(A);
  real force_x, dv;
 
  /* reset velocities */
  NV_S(vel, =, 0.0);
  NV_S(omega, =, 0.0);
  if (!Data_Valid_P())
    return;
  /* get the thread pointer for which this motion is defined */
  t = DT_THREAD(dt);
  /* compute pressure force on body by looping through all faces */
  force_x = 0.0;
  begin_f_loop(f,t)
    {
      F_AREA(A,f,t);
      force_x += F_P(f,t) * A[0];
    }
  end_f_loop(f,t)
  /* compute change in velocity, dv = F*dt/mass */
  dv = dtime * force_x / 50.0;
  /* motion UDFs can be called multiple times and should not cause
     false velocity updates */
  if (time > (time_prev + EPSILON))
    {
      v_prev += dv;
      time_prev = time;
    }
  Message("time = %f, x_vel = %f, x_force = %f\n", time, v_prev, force_x);
  /* set x-component of velocity */
  vel[0] = v_prev;
}

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