CN114036872B - 一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，主要包括：根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型；以该几何模型作为整个流域，通过建立交互面将整个流域划分为静止域和运动域；分别建立静止域和运动域的拓扑结构，分别对静止域的拓扑结构和运动域的拓扑结构进行结构网格划分，在进行结构网格划分的过程中对位于近壁面处的边界层区域网格进行加密处理，最后将经过上述处理的几何模型中的静止域网格和运动域网格合并。本发明的结构网格划分减少了网格数量，提高了计算效率；而边界层、列车表面也可以加密设置；本发明中可以通过Y+方法计算出边界层网格尺寸，对网格尺寸进行设置，可以避免重新构建模型，提高计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，具体的说是非定常流场动态数值模拟的前处理方法。
背景技术
城市轨道交通是现代大城市交通的发展方向。发展轨道交通是解决大城市病的有效途径，也是建设绿色城市、智能城市的有效途径。目前地下城市轨道交通的发展面临很多突出问题：运行速度提高，常规运载工具的密封性能无法满足要求，引起车厢内乘客不适；隧道断面尺寸、形式，风阀承压等关键技术缺失。这些问题严重制约了高速地铁的发展。
在标准缺失，缺乏实测数据的情况下，对以上问题的研究主要基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics CFD)方法。CFD方法是指利用计算机采用数值方法对流体力学控制方程进行离散和求解,从而达到预测流场规律特性的目的。而进行CFD数值计算的第一步就是进行前处理，生成高质量的流场网格。一套高质量的网格不仅可以提高模拟结果的准确性，还可以减少计算的时间。当前国内外主流的网格生成方法,主要分为结构网格、非结构网格和混合网格三种，其中结构网格更容易实现对边界层的加密。
在研究隧道空气动力学等问题时，涉及列车在流域中运动的现象，流场中有移动边界，需考虑动网格技术在CFD计算中的应用。在CFD求解器ANSYS FLUENT中动网格更新方法主要有：弹簧光顺法、网格重构法以及动态层法。目前涉及列车在隧道中运动的研究大多数将整个流场划分为不同的流域，列车周围的流域划分为结构网格，其他流域划分为非结构网格。而对于全尺寸的流场模型，非结构网格的划分大大增加了网格数量，并且局部网格质量差。对于非结构网格，动网格更新方法可以采用光顺法，但是如果运动边界位移过大，采用光顺方法可能会导致网格质量下降，甚至出现负体积网格，导致计算出错，非结构网格动网格设置困难。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，该方法可以在列车运动模型全流域中划分结构网格，减少了网格数量，增加了网格质量，并且便于边界层网格独立加密以及后续数值模拟中的动网格设置。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型；以该几何模型作为整个流域，通过建立交互面将整个流域划分为静止域和运动域；分别建立所述静止域和运动域的拓扑结构，分别对所述静止域的拓扑结构和运动域的拓扑结构进行结构网格划分，在进行结构网格划分的过程中对位于近壁面处的边界层区域网格进行加密处理，最后将经过上述处理的几何模型中的静止域网格和运动域网格合并。
进一步讲，本发明所述的基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，采用ICEM CFD流场前处理软件，并包括以下步骤：
步骤一：建立几何模型：在所述的ICEM CFD软件中，根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型，以该几何模型作为整个流域，该几何模型包括列车、隧道、风井、隧道入口空气域和风井出口处空气域五部分；
步骤二：静止域和运动域的划分：列车沿隧道方向向前运动，在包含列车的运动通道且位于隧道内部建立一交互面，所述交互面是几何面(surface)类型，整个流域中，该交互面之内的区域为运动域，该交互面之外的区域为静止域；
步骤三：采用y+公式计算得到边界层网格尺寸；
步骤四：建立静止域的拓扑结构：建立包含整个流域的六面体的块1，在该块1内部仅包围隧道切分出一个六面体的块2，所述块2的拓扑面(face)与几何模型中隧道的几何面(surface)映射关联，从而实现对隧道入口空气域处的网格密度的独立设置；将所述块2进行O网格或者C网格切分，然后，删去O网格或者C网格切分后的中间的块，剩余的块即为静止域的块；将O网格切分或者C网格切分的块内部的拓扑面(face)与步骤二中的交互面关联，将其余的块和步骤一中的几何模型切分一致，并将静止域对应的拓扑面、拓扑边和步骤二中静止域所对应的几何面(surface)、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成静止域的拓扑结构，保存形成静止域的拓扑结构文件；
步骤五：静止域网格划分：对步骤四中获得的静止域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的边界层网格尺寸，对所述静止域的拓扑结构中的边进行线密度设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为静止域网格文件；关闭该静止域网格文件和步骤四中形成的静止域的拓扑结构文件；
步骤六：建立运动域的拓扑结构：重新建立包含运动域的六面体块，首先，对整个六面体块进行O网格切分，然后沿隧道长度方向分别在车头车尾位置处对O网格切分后的块进行再次切分，删除代表列车的块，将运动域对应的拓扑面和拓扑线和步骤二中的运动域所对应的几何面、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成运动域的拓扑结构，保存形成运动域的拓扑结构文件；
步骤七：运动域网格划分：对步骤六中获得的运动域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的网格尺寸对所述运动域的拓扑结构中的边的线密度进行设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为运动域网格文件；
步骤八：不同域网格的合并：在步骤七生成的运动域网格的基础上，打开步骤五保存的静止域网格文件，选择合并方法，实现静止域网格和运动域网格的合并，此时的网格文件即可导出用于后续数值模拟计算。
步骤三所述的采用y+公式计算得到边界层网格尺寸是：采用流场数值模拟软件FLUNET，根据流域中列车运动引起空气流动的实际情况，选择不同的雷诺数模型，确定y+值；其中，高雷诺数模型满足30≤y+≤300，低雷诺数模型满足y+<1；根据选取的雷诺数模型得到y+值，利用y+公式进行计算，得到边界层网格尺寸。
具体讲，高雷诺数模型包括k-epsilon模型、雷诺应力模型，低雷诺数模型包括k-w模型、SA模型和LES。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法是根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型，将整个流域情况划分为静止域和运动域。主要包括建立几何模型、通过交互面(interface)划分静止域和运动域、静止域网格划分，运动域网格划分，静止域和运动域网格合并。在运动域和静止域网格划分过程中，可以实现对网格的独立加密，即可以对不同位置进行不同的网格密度设置，如入口空气域对结果影响较小，可以设置大的网格尺寸，减少网格数量，提高计算效率；而边界层、列车表面也可以加密设置，目前，现有的网格加密中网格尺寸是整个计算域的设置，不能单独针对某个特别的域；本发明中，可以通过Y+值计算出边界层网格尺寸，对网格尺寸进行设置，可以避免重新构建模型，提高计算效率。
附图说明
图1为运动域和静止域划分示意。
图2是本发明划分的网格结果示意，其中，a)是风井与隧道连接处网格，b)是地铁列车表面网格，c)是隧道洞口处网格。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
本发明提出的一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，其设计思路是：根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型；以该几何模型作为整个流域，通过建立交互面将整个流域划分为静止域和运动域；分别建立所述静止域和运动域的拓扑结构，分别对所述静止域的拓扑结构和运动域的拓扑结构进行结构网格划分，在进行结构网格划分的过程中对位于近壁面处的边界层区域网格进行加密处理，最后将经过上述处理的几何模型中的静止域网格和运动域网格合并。
本发明提出的分块结构网格划分方法，适用于商业CFD求解器ANSYS FLUENT中的Layering动网格更新方法，Layering法能够很好的适用于运动边界位移较大的模拟。本发明提出的方法，采用ICEM CFD流场前处理软件来实现，ICEM CFD强大的网格划分功能可以满足CFD动网格计算对网格的严格要求。
下面详细说明本发明的实施例，请注意下文中的实施例是示范性的，说明其的目的在于更好的解释本发明的方法，而不是对本发明的方法进行限制。
本发明的基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，包括以下步骤：
步骤一：建立几何模型：在所述的ICEM CFD软件中，根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型，以该几何模型作为整个流域，该几何模型至少包括列车、隧道、风井、隧道入口空气域和风井出口处空气域五部分，其中列车的几何模型可适当简化。
步骤二：静止域和运动域的划分：如图1所示，以二维平面图为例，列车以速度v沿隧道方向向前运动，在包含列车的运动通道且位于隧道内部建立一interface交互面，所述交互面是几何面(surface)类型，整个流域中，该交互面之内的区域为运动域，该交互面之外的区域为静止域。
步骤三：采用y+公式计算得到边界层网格尺寸；列车高速通过隧道时引起的空气流动复杂，较大的雷诺数使得空气流场表现为湍流状态。湍流是一种复杂的不规则流动状态，由此导致流场中存在着各向异性的、不同尺度的旋涡流，流场中的温度、速度、压力等物理量也随着涡流的运动而不断地随机发生改变。在近壁面区域，解的梯度非常高，但近壁面区域的精确计算对模拟的成功至关重要。使用Wall Functions(壁面函数法)对近壁面湍流建模，壁面函数利用可预测无量纲边界层剖面，从邻近网格单元质心的条件(速度、壁面距离)确定壁面条件。这意味着第一层网格应该位于对数律层，在前处理阶段，根据流域中列车运动引起空气流动的实际情况，选择不同的雷诺数模型，确定y+值；其中，高雷诺数模型满足30≤y+≤300，低雷诺数模型满足y+<1；根据选取的雷诺数模型得到y+值，利用y+公式进行计算，得到边界层网格尺寸。
步骤四：建立静止域的拓扑结构：建立包含整个流域的六面体的块1，在该块1内部仅包围隧道切分出一个六面体的块2，所述块2的拓扑面(face)与几何模型中隧道的几何面(surface)映射关联，从而实现对隧道入口空气域处的网格密度的独立设置；将所述块2进行O网格或者C网格切分，然后，删去O网格或者C网格切分后的中间的块(即运动域)，剩余的块即为静止域的块；将O网格切分或者C网格切分的块内部的拓扑面(face)与步骤二中的交互面关联，将其余的块和步骤一中的几何模型切分一致，并将静止域对应的拓扑面、拓扑边和步骤二中静止域所对应的几何面(surface)、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成静止域的拓扑结构，保存形成静止域的拓扑结构文件。
步骤五：静止域网格划分：对步骤四中获得的静止域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的边界层网格尺寸，对所述静止域的拓扑结构中的边进行线密度设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为静止域网格文件，部分静止域网格划分结果如图2中a)和c)所示，其中，a)为风井与隧道连接处的网格，实现了对风井处网格的结构划分，c)是隧道洞口处的结构网格，实现了对洞口靠近壁面边界区域网格的加密，而在远离壁面处对计算结果的影响较小，采用大尺寸的网格以减少网格数量；关闭该静止域网格文件和步骤四中形成的静止域的拓扑结构文件。
步骤六：建立运动域的拓扑结构：重新建立包含运动域的六面体块，首先，对整个六面体块进行O网格切分，然后沿隧道长度方向分别在车头车尾位置处对O网格切分后的块进行再次切分，删除代表列车的块，将运动域对应的拓扑面和拓扑线和步骤二中的运动域所对应的几何面、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成运动域的拓扑结构，保存形成运动域的拓扑结构文件。
步骤七：运动域网格划分：对步骤六中获得的运动域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的网格尺寸对所述运动域的拓扑结构中的边的线密度进行设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为运动域网格文件，如图2中b)所示为运动域中列车表面的网格，实现了对运动域网格的结构划分。
步骤八：不同域网格的合并：在步骤七生成的运动域网格的基础上，打开步骤五保存的静止域网格文件，选择合并方法，实现静止域网格和运动域网格的合并，此时的网格文件即可导出用于后续数值模拟计算。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (2)
1.一种基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，其特征在于，根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型；以该几何模型作为整个流域，通过建立交互面将整个流域划分为静止域和运动域；分别建立所述静止域和运动域的拓扑结构，分别对所述静止域的拓扑结构和运动域的拓扑结构进行结构网格划分，在进行结构网格划分的过程中对位于近壁面处的边界层区域网格进行加密处理，最后将经过上述处理的几何模型中的静止域网格和运动域网格合并；
采用ICEM CFD流场前处理软件，并包括以下步骤：
步骤一：建立几何模型：在所述的ICEM CFD软件中，根据列车在隧道中运动的实际情况建立几何模型，以该几何模型作为整个流域，该几何模型包括列车、隧道、风井、隧道入口空气域和风井出口处空气域五部分；
步骤二：静止域和运动域的划分：列车沿隧道方向向前运动，在包含列车的运动通道且位于隧道内部建立一交互面，所述交互面是几何面类型，整个流域中，该交互面之内的区域为运动域，该交互面之外的区域为静止域；
步骤三：采用y+公式计算得到边界层网格尺寸；
步骤四：建立静止域的拓扑结构：建立包含整个流域的六面体的块1，在该块1内部仅包围隧道切分出一个六面体的块2，所述块2的拓扑面与几何模型中隧道的几何面映射关联，从而实现对隧道入口空气域处的网格密度的独立设置；将所述块2进行O网格或者C网格切分，然后，删去O网格或者C网格切分后的中间的块，剩余的块即为静止域的块；将O网格切分或者C网格切分的块内部的拓扑面与步骤二中的交互面关联，将其余的块和步骤一中的几何模型切分一致，并将静止域对应的拓扑面、拓扑边和步骤二中静止域所对应的几何面、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成静止域的拓扑结构，保存形成静止域的拓扑结构文件；
步骤五：静止域网格划分：对步骤四中获得的静止域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的边界层网格尺寸，对所述静止域的拓扑结构中的边进行线密度设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为静止域网格文件；关闭该静止域网格文件和步骤四中形成的静止域的拓扑结构文件；
步骤六：建立运动域的拓扑结构：重新建立包含运动域的六面体块，首先，对整个六面体块进行O网格切分，然后沿隧道长度方向分别在车头车尾位置处对O网格切分后的块进行再次切分，删除代表列车的块，将运动域对应的拓扑面和拓扑线和步骤二中的运动域所对应的几何面、几何曲线关联，此时所有块、拓扑面、拓扑线共同构成运动域的拓扑结构，保存形成运动域的拓扑结构文件；
步骤七：运动域网格划分：对步骤六中获得的运动域的拓扑结构进行网格划分，根据步骤三中计算得到的网格尺寸对所述运动域的拓扑结构中的边的线密度进行设置；生成网格并检查网格质量，网格质量满足要求后转化成非结构网格，生成网格文件后保存，记为运动域网格文件；
步骤八：不同域网格的合并：在步骤七生成的运动域网格的基础上，打开步骤五保存的静止域网格文件，选择合并方法，实现静止域网格和运动域网格的合并，此时的网格文件即可导出用于后续数值模拟计算。
2.根据权利要求1所述的基于动网格模拟隧道列车运动的结构网格划分方法，其特征在于，步骤三所述的采用y+公式计算得到边界层网格尺寸是：采用流场数值模拟软件FLUNET，根据流域中列车运动引起空气流动的实际情况，选择不同的雷诺数模型，确定y+值；其中，高雷诺数模型满足30≤y+≤300，低雷诺数模型满足y+<1；根据选取的雷诺数模型得到y+值，利用y+公式进行计算，得到边界层网格尺寸。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 网格融合技术在列车过隧道运动网格数值模拟中的应用;陈晓丽;张成玉;许建林;晋永荣;梅元贵;;计算机工程与科学;20160315(第03期);全文 * |
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