CN108875150A - 一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法 - Google Patents

一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法 Download PDF

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CN108875150A CN201810523910.6A CN201810523910A CN108875150A CN 108875150 A CN108875150 A CN 108875150A CN 201810523910 A CN201810523910 A CN 201810523910A CN 108875150 A CN108875150 A CN 108875150A
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丛腾龙
彭敏俊
夏庚磊
孙大彬
吕鑫狄
张翔
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Abstract

本发明提供一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，包括：根据运动部件可能到达的位置，建立多个流体域几何结构，进行网格划分策略研究；根据运动部件和静止部件的相对运动情况，拓展计算域；对拓展后的计算域进行网格划分；设置物理问题求解参数；设置动网格求解参数；进行数值求解；进行后处理。本发明给出了一种简便、高精度的针对运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法。本发明可为发生接触的复杂运动问题的计算流体动力学求解提供一种通用解决方法，相对于传统的接触问题的处理方法，本发明实施简便，且具有更高的精度。

Description

一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法
技术领域
本发明涉及一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，属于计算流体力学及反应堆热工水力学领域。
背景技术
在复杂问题系统中，经常遇到运动的固体与流体之间相互作用的问题，如管道阀门的关闭过程、水面上船随着波浪的运动、流体中夹杂的固体随流体冲刷的运动、流体扰动导致的管束振动等。当采用流体动力学工具对这些问题进行分析时，由于流体和固体的耦合作用，固体的形状及其在流体中的位置通常随时间发生改变，常规的基于固定网格的模拟方法难以用于此类问题的研究。
为了研究流体及其中运动固体的耦合作用特性，研究者提出动网格方法，在计算的过程中根据固体的位移和形变不断的更新计算网格，达到求解流-固耦合运动特性的目的。对于此类问题，目前有三种传统的动网格处理方法，分别是光滑法(SmoothingMethod)、动态层法(Dynamic Layering Method)和网格重构法(Remeshing Method)。对于小变形的简单问题，光滑法即可得到较好的解；对于运动方向较为单一，且拓扑结构简单的问题，动态层方法较为实用；而对于复杂的大变形问题，通常采用网格重构法，虽然该方法重构网格需要耗费很大的计算量和计算时间，但可以保证变形重构后网格的质量，防止计算发散。
对于大部分运动问题，如船体运动、流致振动等，目前已有的三种动网格处理方法对其进行高效、高精度的求解。但是对于由于固体发生接触而导致流体域拓扑结构发生变化的问题，这三种方法无法准确地对其进行模拟。如对于河床中被冲刷前进的石块，或即将关闭的阀门，由于石块和河床、阀瓣和阀座之间发生接触，使得两个固体域之间的流体域空间消失，流体区域的几何拓扑结构发生变化，使得网格变形或重构无法进行，导致计算出错。
针对此类问题，目前常用的解决办法有两种，分别如下：
方法一：几何重构法。分别针对接触前、接触后的的计算域进行建模并划分网格，在发生接触之前，基于无接触的几何对应的网格，采用动网格方法对其进行模拟；随着计算的进行，发生即将接触的时刻，将计算域的数据传递给有接触的几何产生的网格，通过插值算法实现数据的重构，之后接着进行计算。采用该方法(两套网格)可以有效的避免几何拓扑发生改变导致的网格错误，但是在两套网格进行插值时，由于网格不匹配，会引入插值误差，尤其是对于频繁接触、分离的问题，如频繁开启、关闭的阀门，需要多次转换网格并重构数据，积累误差非常大。此外，对于复杂问题，如河床上被流水冲刷携带的石块，每次接触时石块相对于河床的位置发生改变，几何重构法将不再适用。
方法二：人为限定固体位移。在即将发生接触的时候，将运动部件的速度设置为零，从而防止接触。该方法中的“即将接触”，指的是运动部件和与之即将接触的固体之间只剩下一层网格，该方法通常与动态层法共同使用。利用该方法对运动行为进行人为的限制，可以有效的防止接触导致的计算出错，但是并不能模拟真实问题中的接触现象，如对于阀门关闭问题，阀瓣和阀座之间使中会保留一层网格，这一层网格内仍会有流体流过，且可以通过流体传递压力，因此会出现阀门无法彻底关闭的问题。
除了以上三种传统的动网格处理方法之外，近年来研究者提出了重叠网格方法，通过两套重叠网格来保证运动过程中运动部件周围的网格不发生形变，该方法可以提高计算精度并简化动网格计算过程，但是并不能解决接触问题。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法。
本发明的目的是这样实现的：步骤如下：
步骤一：对运动部件进行流体动力学分析，得到计算域网格划分的参数：
参数具体包括：网格划分策略、边界层网格精度、网格数量、边界层网格厚度、边界层网格尺度；
步骤二：对原始的流体域空间的几何进行拓展，获得动网格计算的计算域：
拓展的计算域的形状为一个薄层，且该薄层厚度均匀，薄层厚度等于步骤一得到的边界层网格厚度；
步骤三：建立拓扑结构，并根据拓扑结构对计算域进行剖分：
将步骤二得到的计算域划分为多个区域，使得原始的流体域和拓展后的计算域属于不同的子计算域，将运动部件的运动轨迹单独作为一个可变体积的子计算域；
步骤四：根据拓扑结构划分网格：
根据步骤一中计算得到的计算域网格参数、结合步骤三中的拓扑结构，对步骤二中建立的拓展后的计算域进行网格划分，要求拓展的薄层子计算域内包括一层网格，且位于原始流体域和拓展的计算域的区域交界面上的网格与该交界面完全重合，并且在网格划分中对于运动面、滑移面、静止面特征结构单独命名；
步骤五：设置物理问题求解参数：
步骤六：设置动网格求解参数：
对于计算所选取的动网格方法，根据问题的复杂度，优先选取的次序为动态层法、光滑法、网格重构法；
步骤七：进行数值求解：
设置其他边界条件，给定求解控制参数和时间参数，进行数值求解；
步骤八：进行后处理：
通过网格区域标记技术，将拓展层隔离在后处理的区域之外，后处理区域仅包含原始的管内流体域，之后进行后处理，完成接触问题的动网格计算。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.步骤五具体是：设置求解所需的物理参数，将拓展后的计算域定义为一个完整的流体域，通过网格定位方法，将拓展的区域内的网格的粘性设置为1020Pa·s，即无穷大的粘性；设置该区域网格的比热容为10-20J/kg/K，即储热能力无穷小。
2.步骤六中采用动态层法处理：利用自定义函数，设置即将接触的判据及判据生效后的运动行为，即当运动部件到达与真实的静止部件接触的位置时，停止运动；此时运动部件和将要接触的边界之间存在一个与拓展层等厚度的间隙，不会发生接触问题导致动网格出错；而这个间隙内的流体粘性无穷大，流体不会发生流动，达到完全接触、阀门关闭的效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明给出了一种简便、高精度的针对运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法。本发明可为发生接触的复杂运动问题的计算流体动力学求解提供一种通用解决方法，相对于传统的接触问题的处理方法，本发明实施简便，且具有更高的精度。
附图说明
图1为本发明的研究对象，其中：1流体域进口，2管道，3流体域出口，4阀瓣，5流体域出口，6流体域；
图2为本发明的原始的计算域，其中：11流体域进口，12流体域与管道交界的边界，13流体域出口，14阀瓣前沿，15阀瓣运动轨迹所占据的流体域，16流体域，17流体域出口，18流体域；
图3本发明拓展后的计算域，即动网格计算所使用的计算域，其中：31原始流体域，32阀瓣运动轨迹所占据的流体域，33原始流体域，34拓展的流体域。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明包括如下步骤：(1)根据运动部件可能到达的位置，建立多个流体域几何结构，进行网格划分策略研究；(2)根据运动部件和静止部件的相对运动情况，拓展计算域；(3)对拓展后的计算域进行网格划分；(4)设置物理问题求解参数；(5)设置动网格求解参数；(6)进行数值求解；(7)进行后处理。步骤(1)选取多个典型的运动部件的位置，根据运动部件、静止部件的相对位置及计算域进出口位置，建立流体域几何，划分的网格需能识别粘性底层内的速度和温度梯度，数值计算不可使用壁面函数。步骤(2)需要以将要与运动部件接触的静止部件表面为基础进行流体域的拓展，拓展区域的厚度为步骤(1)得到的近壁面网格厚度；步骤(3)需要对运动部件运动过程中所覆盖的流体域和拓展的区域单独划分网格，拓展区域仅划分一层网格，拓展区域与原始计算域的网格节点一致；步骤(4)中拓展的流体域内流体的粘度为无穷大、比热容为无穷小；当运动部件到达与真实的静止部件接触的位置时，停止运动，在拓展的计算域中两个将要接触的部件之间仍保留一层流体网格；步骤(7)需要先通过区域标记技术，将拓展的子计算域隔离，之后对剩余的区域进行后处理。
结合1至图3，以包含一个进口、两个出口的管道内流动为例，该管道系统的主管道上具有一个可以调节开度的阀门。
本发明的一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，包括以下步骤：
步骤(1)进行初步的流体动力学分析，得到合理的计算域网格划分的参数；
运动部件在运动过程中的不同时刻位于不同的位置，因此不同时刻的流体域几何结构不同，分别建立多个典型时刻的流体域的几何模型，如图2所示，通过改变阀瓣4的位置产生新的流体域几何模型，在此基础上进行网格划分和稳态流体动力学计算，近壁面网格需能够分辨粘性底层内的速度、温度梯度，计算不可以使用壁面函数，通过分析得到求解不同时刻的内部流场所需要的网格划分策略、边界层网格精度及网格数量等参数。
步骤(2)对原始的流体域空间的几何进行拓展，获得动网格计算的计算域；
根据步骤(1)分析的到的边界层网格尺度，以运动过程中可能与运动部件接触的面为基准，对原始的计算域进行拓展，拓展的计算域的形状为一个薄层，该薄层厚度均匀，厚度等于(1)中分析获得的边界层网格厚度。
步骤(3)建立合适的拓扑结构，并根据拓扑结构对计算域进行剖分；
根据运动部件的运动特性、参照原始的计算区域，对步骤(2)中的几何进行拓扑结构剖分，将计算域划分为多个区域，使得原始的流体域和拓展的流体域属于不同的子计算域，此外，为便于动网格的处理，将运动部件的运动轨迹单独作为一个可变体积的子计算域，经过拓展的计算域的子计算域划分如图3所示，子计算域32为运动部件的运动轨迹所扫掠的计算域，31和33为管道中原始的子计算域，34为拓展的子计算域。
步骤(4)根据拓扑结构，划分网格；
根据步骤(1)中计算得到的计算域网格参数，结合步骤(3)中划分的拓扑结构，对步骤(2)中建立的拓展后的计算域进行网格划分，要求拓展的薄层子计算域内包括1层网格，且位于原始流体域和拓展的区域交界面上的网格与该交界面完全重合，此外，在网格划分中对于运动面、滑移面、静止面等特征结构单独命名；
步骤(5)设置物理问题求解参数；
设置求解所需的物理参数，将拓展后的计算域(包括原始流体域和拓展的区域)定义为一个完整的流体域，通过网格定位方法，将拓展的区域内的网格的粘性设置为1020Pa·s，即无穷大的粘性；设置该区域网格的比热容为10-20J/kg/K，即储热能力无穷小；
步骤(6)设置动网格求解参数；
对于计算所选取的动网格方法，根据问题的复杂度，优先选取的次序为动态层法、光滑法、网格重构法，本例采用动态层法处理。利用自定义函数，设置即将接触的判据及判据生效后的运动行为，即当运动部件到达与真实的静止部件接触的位置时，停止运动。对于FLUENT软件，可利用DEFINE_CONTACT宏设置即将发生接触的判据为拓展层的厚度，当运动部件与静止部件的最小距离达到拓展层厚度时，便触发DEFINE_CONTACT宏内的命令，使运动部件停止运动。此时运动部件和将要接触的边界之间存在一个与拓展层等厚度的间隙，不会发生接触问题导致动网格出错；而这个间隙内的流体粘性无穷大，流体不会发生流动，可以达到完全接触、阀门关闭的效果。
步骤(7)进行数值求解；
设置其他边界条件，如进口、出口边界等，给定求解控制参数和时间参数，进行数值求解。
步骤(8)进行后处理。
在后处理的过程中，通过网格区域标记技术，将拓展层隔离在后处理的区域之外，后处理区域仅包含原始的管内流体域，之后进行后处理，与常规的流体问题后处理方法一致。完成接触问题的动网格计算。
综上，本发明涉及一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理技术。主要包括以下步骤：(1)通过初步的流体动力学分析，研究原始流体域的网格划分策略，确定可识别主要流动传热特性的网格划分参数；(2)根据运动部件和静止部件的相对运动情况，以将要与运动部件接触的静止部件表面为基础拓展流体域，拓展区域与(1)确定的近壁面网格厚度一致；(3)对拓展后的流体域进行网格划分，并采用常规动网格方法进行计算，当运动部件到达实际接触位置时停止运动，同时，设置拓展区域的粘度为无穷大、比热容为无穷小；(4)标记并隔离拓展域，对剩余的原始的流体域的计算数据进行后处理。该技术将通过拓展流体区域的大小，使运动部件到达指定位置时部件之间不发生接触；通过对拓展区域的粘度和比热容进行强制赋值，使拓展的区域不影响流体的流动和传热特性。该技术可以高效、简便地处理动网格问题中发生接触的情况，具有高精度、高鲁棒性的优点。

Claims (3)

1.一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，其特征在于：步骤如下：
步骤一：对运动部件进行流体动力学分析，得到计算域网格划分的参数：
参数具体包括：网格划分策略、边界层网格精度、网格数量、边界层网格厚度、边界层网格尺度；
步骤二：对原始的流体域空间的几何进行拓展，获得动网格计算的计算域：
拓展的计算域的形状为一个薄层，且该薄层厚度均匀，薄层厚度等于步骤一得到的边界层网格厚度；
步骤三：建立拓扑结构，并根据拓扑结构对计算域进行剖分：
将步骤二得到的计算域划分为多个区域，使得原始的流体域和拓展后的计算域属于不同的子计算域，将运动部件的运动轨迹单独作为一个可变体积的子计算域；
步骤四：根据拓扑结构划分网格：
根据步骤一中计算得到的计算域网格参数、结合步骤三中的拓扑结构，对步骤二中建立的拓展后的计算域进行网格划分，要求拓展的薄层子计算域内包括一层网格，且位于原始流体域和拓展的计算域的区域交界面上的网格与该交界面完全重合，并且在网格划分中对于运动面、滑移面、静止面特征结构单独命名；
步骤五：设置物理问题求解参数：
步骤六：设置动网格求解参数：
对于计算所选取的动网格方法，根据问题的复杂度，优先选取的次序为动态层法、光滑法、网格重构法；
步骤七：进行数值求解：
设置其他边界条件，给定求解控制参数和时间参数，进行数值求解；
步骤八：进行后处理：
通过网格区域标记技术，将拓展层隔离在后处理的区域之外，后处理区域仅包含原始的管内流体域，之后进行后处理，完成接触问题的动网格计算。
2.根据权利要求1所述的一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，其特征在于：步骤五具体是：设置求解所需的物理参数，将拓展后的计算域定义为一个完整的流体域，通过网格定位方法，将拓展的区域内的网格的粘性设置为1020Pa·s，即无穷大的粘性；设置该区域网格的比热容为10-20J/kg/K，即储热能力无穷小。
3.根据权利要求2所述的一种运动过程中发生接触的问题的动网格处理方法，其特征在于：步骤六中采用动态层法处理：利用自定义函数，设置即将接触的判据及判据生效后的运动行为，即当运动部件到达与真实的静止部件接触的位置时，停止运动；此时运动部件和将要接触的边界之间存在一个与拓展层等厚度的间隙，不会发生接触问题导致动网格出错；而这个间隙内的流体粘性无穷大，流体不会发生流动，达到完全接触、阀门关闭的效果。
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