专栏 l 解决变形与流体仿真,Fluent中动网格功能在各个行业中的应用

3D打印越来越多的应用到运动流体领域,拿换热器举例,3D打印可以实现较小尺寸的流体通道,具有较薄的壁,以及错综复杂的形状,这些热交换器使用先前传统的制造方法无法制造出来。

Part_exchanger_Conflux3D打印热交换器。来源:Conflux

拿液压歧管举例,3D打印3D打印技术已成为多家液压系统制造商制造复杂液压零部件的选择,通过金属3D打印技术来制造液压阀块,在进行产品设计时无需考虑交叉钻孔的设计约束,并且可以将锋利的角换成圆形弯曲的设计从而减少湍流现象。

Part_aidro3D打印液压歧管。来源:aidro

本期,通过.专栏文章《解决变形与流体仿真,Fluent中动网格功能在各个行业中的应用》来揭示Fluent软件如何解决各类极具挑战性的变形与运动流体仿真问题。

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,但凡跟流体,热传递及化学反应等有关的工业均可使用。具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能。Fluent软件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。

block Fluent动网格(Dynamic Mesh)功能概述

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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。

block Fluent 的动网格功能在各个行业的应用案例

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

关于动网格更新方法,请联系安世亚太获得更详细的信息和支持。
关于3D打印在换热器/散热器领域的应用,请参考《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(上篇)》,《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(下篇)》。
关于3D打印在液压领域的应用,请参考3D科学谷发布的《3D打印与液压行业白皮书

writer
张杨

北京理工大学流体力学相关专业硕士学位,现任安世亚太北京分公司高级流体工程师。具备多年的 CAE 仿真工作经验,擅长 ANSYS 流体产品的行业应用,主要包括 航空航天、电力能源、生物力学、电子封装等;精通 ANSYS Fluent、CFX、ICEM CFD 等软件的高级功能,尤其擅长复杂几何的网格处理与大规模仿真计算分析,有多个行业的咨询项目经验。

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