第9讲 三维问题的数值模拟及udf和uds（学生用）

第九讲三维问题的数值模拟与二维建模不同三维建模与二维建模的思路有着较大的区别三维建模由不同的三维基本造型组合而成因此在建模的过程中要更多用到布尔运算及等其他的建模辅助工具91三视图的使用在建立三维图形的时候使用三视图有利于我们更好的观察和理解图形下图显示的是Gambit的视图控制面板在当前状况下四个视图都是激活的在Active栏中显示红色这时视图控制面板中的十个命令将同时作用于四个视图在创建三维图形之前可以将Gambit的四个视图设置为顶视图前视图左视图和透视图1用鼠标单击Active右边的后三个视图取消对它们的激活此时呈灰色见图2用鼠标右键单击视图控制面板中的坐标按钮弹出一组坐标系见下图3选择则把左上视图变成顶视图按照这一个方法设置其他视图见图4单击控制面板中的可将视图四个视窗92建立基本三维模型在Gambit控制面板中单击按钮在Volume中用鼠标右键单击弹出一组按钮表示Gambit所能创建的基本三维几何体主要有长方体圆柱体等1布尔运算的基本概念典型的布尔运算包括并交减并将两个物体并成一个物体两个物体的并集交两个物体的交集减A物体减去B物体2基本三维几何体的创建和布尔运算的运用单击按钮输入参数创建一个高60半径6的圆柱体见图3116在AxialLoaction栏中选取PositiveX使得圆柱体的法线指向x方向在Gambit中创建的几何体其基点都在坐标系的原点见图3117如果创建的几何体过大在视图中无法显示全图或者太小无法分辨单击按钮即可为了能够更好的观察三维几何体可以用鼠标拖动四个视图中央的小方块改变四个视图的大小见图3118再创建两个圆柱体分别指向y和z方向见图3119单4．单击按钮移动圆柱体使其如图31110所示单击按钮选择三个圆柱体依次将它们合并在一起见图31111图6更加清楚的观察三维几何体可以选择按钮见图31112选择按钮即可恢复原状93网格划分1结构网格生成技术过去普遍采用的是结构网格所谓结构网格就是网格拓扑相当于矩形域内均匀网格的网格为了便于处理物面边界条件以提高计算精度常要求结构网格具有贴体性质即通过坐标变换使物体的几何边界成为坐标面线采用结构网格总的优点是可以方便准确地处理边界条件计算精度高并且可以采用许多高效隐式算法和多重网格法计算效率也较高缺点是对复杂外形的网格生成较难甚至难以实现即使生成多块结构网格块与块之间的界面处理又十分复杂因而在使用上受到限制2非结构网格生成技术为了灵活方便地数值模拟绕复杂外形的流动在20世纪80年代末人们提出了采用非结构网格的技术手段现已成为研究的热点之一所谓非结构网格就是指这种网格单元和节点彼此没有固定的规律可循其节点分布完全是任意的其基本 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 基于这样的假设任何空间

区域都可以被四面体三维或三角形二维单元所填满即任何空间区域都可以被四面体或三角形为单元的网格所划分它有两种类型宏观非结构网格和微观非结构网格宏观非结构网格是先将空间区域划分成许多小块每个小块用结构网格划分再将每个小块网格用非结构网格连接合并成总体网格它在一定程度上可以解复杂边界问题但块网格拓扑的形成往往需要大量的人工处理因而不易形成工程实际所需的通用程序而且这种网格由于自适应处理会导致网格结构性的彻底破坏因而也不适合于作网格自适应而微观非结构网格是完全没有规律的自由生成的网格是一种任意的网格这种网格较结构网格有如下优点1适合于复杂区域的网格划分特别对奇性点的处理很简单2其随机的数据结构更易于作网格自适应以便更好地捕获流场的物理特性3其生成过程不需求解任何方程因而这类网格目前使用较多其生成主要有两个环节1如何在计算域内合理分布网格点2如何将网格点有效连接形成三角形或四面体网格单元3混合网格生成技术如前所述结构网格和非结构网格各有优缺点自然就会想到如何将这二者的优势结合起来同时克服各自的不足由此混合网格技术应运而生并越来越受到重视将结构网格和非结构网格混合起来的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 很多其中主要有以下几种a针对多部件或多体复杂外形的混合网格这类混合网格是先对多体问题的每一单体或复杂外形的每一部件生成贴体结构网格而在体与体部件与部件之间的交界区挖出一个洞洞内由非结构网格来填充这类混合网格的代表有拉链ZipperGrids和龙型网格DRAGONGrids等b针对黏性计算的混合网格这类混合网格是先在物面附近向外推出数层有一定压缩比的结构网格二维或半结构网格三维三棱柱以模拟边界层然后外场用非结构网格事实上在外形不太复杂的情况下全场采用三棱柱网格也是可行的c矩形与非结构混合网格矩形网格中不必进行Jacobian矩阵计算具有比贴体网格更为简单更为快捷的优点但其不足之处在于不易处理曲面边界处理得不好就会出现所谓台阶效应事实上在物面附近采用非结构网格就可以消除台阶效应同时达到模拟复杂外形的目的这就形成了矩形非结构混合网格为了计算黏性问题亦可在物面附近采用结构二维或半结构三维网格然后由非结构网格过渡到外场的矩形网格由此构成矩形非结构半结构混合网格4边界层网格CFD计算对计算网格有特殊的要求一是考虑到近壁粘性效应采用较密的贴体网格二是网格的疏密程度与流场参数的变化梯度大体一致对于面网格可以设置平行于给定边的边界层网格可以指定第二层与第一层的间距比及总的层数对于体网格也可以设置垂直于壁面方向的边界层从而可以划分出高质量的贴体网格边界层网格的创建需要输入四组参数分别是第一个网格点距边界的距离FirstRow网格的比例因子GrowthFactor边界层网格点数Rows垂直边界方向以

及边界层厚度Depth这四个参数中只要任意输入三组参数值即可创建边界层网格同时我们还可以选择边界层网格创建的形式在命令面板的TransitionPattern区域系统给我们提供了四种创建方式见图以上述二维计算模型为例a单击Mesh按钮选择Boundarylayer选项进入边界层网格创建命令面板b按住Shift按钮用鼠标左键单击图形中的线段1选择其为创建对象c输入参数值为FirstRow005GrowthFactor101Rows10选择创建形式为11单击Apply按钮完成创建工作见图5生成线网格在线上生成网格作为将在面上划分网格的网格种子允许用户详细的控制在线上节点的分布规律Gambit提供了满足CFD计算特殊需要的五种预定义的节点分布规律6生成面网格对于平面及轴对称流动问题只需要生成面网格对于三维问题也可以先划分面网格作为进一步划分体网格的网格的网格种子Gambit根据几何形状及CFD计算的需要提供了三种不同的网格划分方法a映射方法映射网格划分技术仅适合于逻辑形状为四边形或三角形的面可以详细控制网格的生成在几何形状不太复杂的情况下可以生成高质量的结构化网格b子映射方法为了提高结构化网格生成效率Gambit软件使用子映射网格划分技术当用户提供的几何外形过于复杂子影射网格划分方法可以自动对几何对象进行再分割使在原本不能生成结构化网格的几何实体上划分出结构化网格c自由网格对于拓扑形状较为复杂的面可以生成自由网格用户可以选择合适的网格类型三角形或四边与二维的基本一样但三维物体的网格划分比较难以把握尤其是对局部的加密7生成体网格对于三维流动问题必须生成三维实体网格Gambit提供五种体网格的生成方法三维的四面体网格六面体网格金字塔型网格楔型网格以及由上述网格类型构成的混合型网格FLUENT的基本控制体形状见下图图FLUENT的基本控制体形状其中triangle为三角形quadrilateral为四边形tetrahedron为四面体hexahedron为立方体或正六面体pyramid为角锥或棱锥金字塔形prismorwedge为棱柱或楔形体生成三维网格方法如下a映射网格对于六面体结构可以使用映射网格方法直接生成六面体网格对于较为复杂的几何形体必须在划分网格前将其分割为若干格六面体结构否则无法生成网格b子映射网格Gambit软件的子映射网格划分技术同样适用于体网格也就是说当用户提供的几何外形过于复杂子影射网格划分方法可以自动对几何对象进行再分割使在原本不能生成结构化网格的几何实体上划分出结构化网格cCooper方法Cooper方法适合于在一个方向几何相似而在另两个方向几何较为复杂的实体例如圆管弯头的流动可以先使用边界层网格设置边界层然后对端面进行

面网格划分再使用Cooper方法对弯头进行网格划分图弯头的网格划分dTgrid方法对于复杂的工程结构可以采用Tgrid方法方法生成四面体和金字塔网格Tgrid方法生成网格过程不需要用户干预可以划分出网格密度变化很大的网格它是在仿真中使用很多的一种网格划分方法e混合网格对于复杂的工程结构可以综合使用所由的网格生成方法在贴近壁面处可以生成结构化网格在不需要严格控制的地方可用Tgrid方法生成自由网格Gambit软件可以根据几何结构特点和现有的网格约束条件迅速生成网格混合网格技术的应用将大大减少网格划分时间同时又能保证网格的质量94UDF的高级应用用户自定义函数UDF即是用户自己编写的程序它可以增强FLUENT的功能以便于解决具体的问题用户自定义函数用C语言编写使用DEFINE宏来定义UDF中可使用标准C语言的库函数也可使用预定义宏获得FLUENT计算得到的数据UDF有解释函数或编译函数两种解释函数在运行时读入并解释而编译函数则在编译吋被嵌入共享库中并与如前所述UDF可以完成如下功能a定制边界条件b定义材料属性c定义表面和体积反应率d定义输运方程中的源项e用户自定义标量输运方程UDS中的源项扩散率函数1访问单元流体变量的宏可以使用下述宏访问单元流体变量的宏2访问材料性质的宏下表列出的宏可以用于存取材料的性质95Udf的解释编译与运行1解释型UDF以定义速度为例源程序如下启动DefineUser-DefinedInterpreted出现相应的对话框出现以下信息此时在速度定义时出现相应的udfunsteady_velocity选项2编译型UDF举例说明下面是使用udf定义外墙的源程序在源文件项目中用Add按钮调入tempc源文件一次可以调入多个源程序调入的程序是以c结尾的c语言程序其存放位置必须与FLUENT的case和date文件目录一致上图实例是调入了定义外墙表面周期性温度的函数tempc设定存放编译结果的库文件目录见上图注意要把库文件名放在工作目录下做好这些准备工作之后可以点击Build按钮来对源文件进行编译如果编译成功会在Fluent信息窗中提示编译的一些信息上述信息中显示编译过程会把需要的头文件和makefile文件自动复制到用户指定的目录并且生成了tempobj文件编译完成后按Load按钮对编译结果进行装载此时已经把unsteady_Temperature调入到内存中其函数名将会出现在对应的边界条件定义的对话框中96UDS的定义与求解1Uds的基本知识对于一般性的标量方程其形式如下对于定常问题没有时间项对于定常且不包含对流项的问题因此一般来说对于自定义标量的求解需要对扩散系数源项对流项时间非稳态项进行定义要分别用到四个函数下面详细叙

述2自定义标量UDS输运方程扩散系数使用DEFINE_DIFFUSIVITY宏可以为物种的输运方程或者自定义标量UDS输运方程扩散系数DEFINE_DIFFUSIVITYnamecti自变量类型cell_tcThreadtinti函数返回realDEFINE_DIFFUSIVITY中有四个自变量namect和iname是用户所给出的UDF的名字ct和i是被FLUENT的求解器传送到UDF的变量c是一个标识符它用来鉴别所给定脉络中的一个单元t是脉络的一个指示器其中扩散率方程应用于此脉络上i是鉴别物种或自定义标量的一个指标UDF将需要计算仅关于一个单元的扩散率并返回到求解器里的实型值下面名为mean-age-diff的UDF使用一个自定义标量计算空气平均龄的扩散率注意空气龄的计算不要求执行能量辐射或物种输运的计算在模型中需要在进口和出口处设uds-000这个方程可以作为一个通译的或编译的UDF被执行空气年龄控制方程其中边界条件在送风口在回风口和壁面处质量扩散系数为常数其值为288e-5m2sinclude"udfh"DEFINE_DIFFUSIVITYmean_age_diffctireturnC_Rct288e-05C_MU_EFFct07DEFINE_UDS_FLUXuser_fluxfteqnreturnF_FLUXft3用户源项可以使用DEFINE_SOURCE宏为FLUENT中不同类型被求解的输运方程规定用户源项包括连续动量kε动能也可以对于多边形区域物种质量组份用户定义标量UDS输运应用格式如下DEFINE_SOURCEnamectdSeqn自变量类型cell_tcThreadtrealdS[]inteqn函数返回realDEFINE_SOURCE中有三个自变量namectdS和eqnname是用户给出的UDF的名字ctdS和eqn是被FLUENT的求解器传送到UDF的变量被传送的变量t是单元脉络的一个指示器c是一个指数它规定源项所使用单元排列dS对输运方程中的独立变量规定了源项的派生类空气龄计算的源项的定义如下质量扩散系数为常数其值为288e-5m2sinclude"udfh"DEFINE_SOURCEmean_age_sourcectdseqnrealsourcesourceC_Rctreturnsource4平流通量项定义函数DEFINE_UDS_FLUX当打算用户化自定义标量UDS输运方程中的平流通量项的计算方法时可以使用DEFINE_UDS_FLUX宏应用宏DEFINE_UDS_FLUXnamefti自变量类型face_tfThreadtinti函数返回realDEFINE_UDS_FLUX中有四个自变量

nameft和iname是用户给出的UDF的名字ft和i是被FLUENT的求解器传送到UDF的变量UDF将需要把质量流量率的实型值通过所给的面返回到求解器被传送的变量t是脉络的一个指示器其中用户定义标量通量应用于这个脉络上f是一个指数它被用来鉴别所给脉络里的一个面i是一个用来鉴别用户定义标量的指数微分输运方程中的平流项有最一般的形式这里φ是用户定义标量守恒量ψ是一个矢量场在默认的平流项中ψ被默认为标量密度和矢量速度的乘积为了使用DEFINE_UDS_FLUX定义方程182318中的平流项UDF需要把标量值A⋅ψ送到FLUENT其中A是面的法线矢量注意由UDF提供的平流通量场应当为自由散度对于空气龄的计算可以写成如下的udf函数include"udfh"DEFINE_UDS_FLUXuser_fluxfteqnreturnF_FLUXft其中F_FLUXft表示获取通过边界表面的质量流速5用户自定义标量的非稳态定义函数DEFINE_UDS_UNSTEADY当打算用户化自定义标量UDS输运方程中的非稳态项时可以使用DEFINE_UDS_UNSTEADY宏应用宏DEFINE_UDS_UNSTEADYnamectiapusu自变量类型cell_tcThreadtintIrealapurealsu函数返回voidDEFINE_UDS_UNSTEADY中有六个自变量namectiapu和suname是用户给出的UDF的名字ctiapu和su是被FLUENT的求解器传送到UDF的变量UDF将需要分别设置被实型指示器apu和su所引用的非稳态项的值到中心系数和源项被传送的变量t是脉络的一个指示器其中UDS输运方程的非稳态项应用于这个脉络上c是一个指数它被用来鉴别所给脉络里的一个单元i是一个用来鉴别用户定义标量的指数其中这个标量是由非稳态项设置的FLUETN求解器希望瞬时项会被分解成一个源项su和一个中心系数apu方程中的这些项的设置方式与一个源项的隐示和显示成分可能被处理的方式是类似的所以把非稳态项移到右边并离散如下上式给出了su和apu的定义方式注意如果所求解的不止一个标量那么可以在UDF中使用一个if声明的条件去定义关于每个i的一个不同的非稳态项i0与标量0相联系6Uds的求解过程对UDS进行定义会出现对话框在对话框中把数值变为1表示定义一个自定义标量此时会出现如下的对话框此对话框的作用是说明此标量的标识符作用范围和对流量的函数点击ok按钮系统提示还要设置一些相关材料的参数定义流体的物理性质在弹出的对话框中要选用自己定义的扩散系数设置边界条件选择流体并在弹出的流体性质对话框中勾选sourceterms对其源项进行设置然后对进口和出口进行设置