Fluent动网格【5】：部件变形

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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