让网格动起来 | 闲谈CFD动网格

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在固体有限元计算中，网格运动实非什么稀奇事儿。在绝多数固体计算的基本物理量是网格的节点位移，所以，固体计算中网格节点运动是对的，没有运动反而不正常了。也可以这么说：正因为计算域内部节点间的相对运动，才导致了内应力的产生。


流体计算与固体完全不同，其根源在于它们使用的网格类型不同。当前固体有限元计算采用的是拉格朗日网格，而流体计算则大多数采用的欧拉网格。如果说把拉格朗日网格中的节点看作是真实世界的物质原子的话，那么欧拉网格的节点则好比是真实世界中的一个个传感器，它们总是呆在相同的位置，真实的记录着各自位置上的物理量。


正常情况下，欧拉网格系统是这样的：计算域和节点保持位置不变，发生变化的是物理量，网格节点就像一个个布置在计算域中的传感器，记录该位置上的物理量。这其实是由流体力学研究方法所决定的。宏观与微观的差异决定了固体力学计算采用拉格朗日网格，流体计算采用欧拉网格。关于这部分的详细解说，可以参阅任何一本计算流体动力学书籍。


世界是公平的，有利必有弊。拉格朗日网格适合计算节点位移，然而对于过大的网格变形却难以处理；欧拉网格生来可以处理大变形（因为节点不动），然而对于节点运动的处理，则是其软肋。然而很不幸的是，现实生活中有太多网格边界运动的实例，如汽车发动机中的气缸运动、阀门开启与关闭、机翼的运动、飞机投弹等等，举不胜举。


计算流体动力学计算的基本物理量通常为：速度、温度、压力、组分，并不计算网格节点位移。因此，要让网格产生运动，通常给节点施加的物理约束是速度。CFD中的动网格大体分为两类：


  · 显式规定的网格节点速度。配合瞬态时间，即可很方便的得出位移。当然一些求解器（如FLUENT）也支持稳态动网格，这时候可以直接指定节点位移。


  · 网格节点速度是通过求解得到的。如6DOF模型基本上都属于此类，用户将力换算成加速度，然后将其积分成速度。


对于第一类动网格问题，在FLUENT中通常可以使用profile与UDF进行网格设置，通过规定节点或区域的速度、角速度或位移等方式，来显式确定网格的运动，通常大部分的动网格问题都归于此类。而对于第二类问题，通常涉及到力的计算，力在流体中通常是对压力进行积分而来。将力转换为速度或位移，一般涉及到加速度、转动惯量等物理量的计算。在FLUENT中，可以使用6DOF模型进行处理，在CFX中，可以使用刚体模型（13.0以上版本才有）。


在FLUENT中，动网格涉及的内容包括：


  · 运动的定义。主要是PROFILE文件与UDF中的动网格宏。


  · 网格更新。FLUENT中关于网格更新方法有三种：网格光顺、动态层、网格重构。需要详细了解这些网格更新方法的运作机理，每个参数所代表的具体含义及设置方法，每种方法的适用范围。


动网格的最终挑战来自于网格更新后的质量，避免负体积是动网格调试的主要目标。在避免负网格的同时，努力提高运动更新后的网格质量。


来源：仿真学习与应用微信公众号（ID：study_use_simulation），作者：流沙。