在固體有限元計算中,網格運動實非什么稀奇事兒。而且在絕多數固體計算的基本物理量是網格的節點位移,所以,固體計算中,網格節點運動是對的,沒有運動反而不正常了。也可以這么說:正因為計算域內部節點間的相對運動,才導致了內應力的產生。

流體計算與固體完全不同。其根源在于它們使用的網格類型不同。當前固體有限元計算采用的是拉格朗日網格,而流體計算則大多數采用的歐拉網格。如果說把拉格朗日網格中的節點點看作是真實世界的物質原子的話,那么歐拉網格的節點則好比是真實世界中的一個個傳感器,它們總是呆在相同的位置,真實的記錄著各自位置上的物理量。正常情況下,歐拉網格系統是這樣的:計算域和節點保持位置不變,發生變化的是物理量,網格節點就像一個個布置在計算域中的傳感器,記錄該位置上的物理量。這其實是由流體力學研究方法所決定的。宏觀與微觀的差異決定了固體力學計算采用拉格朗日網格,流體計算采用歐拉網格。關于這部分的詳細解說,可以參閱任何一本計算流體動力學書籍。

世界是公平的。有利必有弊。朗格朗日網格適合計算節點位移,然而對于過大的網格變形卻難以處理。歐拉網格生來可以處理大變形(因為節點不動),然而對于對于節點運動的處理,則是其直接軟肋。然而很不幸的是,現實生活中有太多網格邊界運動的實例。如汽車發動機中的氣缸運動、閥門開啟與關閉、機翼的運動、飛機投彈等等等等舉不勝舉。

計算流體動力學計算的基本物理量通常為:速度、溫度、壓力、組分。并不計算網格節點位移。因此要讓網格產生運動,通常給節點施加的物理約束是速度。CFD中的動網格大體分為兩類:(1)顯式規定的網格節點速度。配合瞬態時間,即可很方便的得出位移。當然一些求解器(如FLUENT)也支持穩態動網格,這時候可以直接指定節點位移。(2)網格節點速度是通過求解得到的。如6DOF模型基本上都屬于此類。用戶將力換算成加速度,然后將其積分成速度。

對于第一類動網格問題,在fluent中通常可以使用profile與UDF進行網格設置,通過規定節點或區域的速度、角速度或位移等方式來顯式確定網格的運動,通常大部分的動網格問題都歸于此類。而對于第二類問題,通常涉及到力的計算,力在流體中通常是對壓力進行積分而來。將力轉換為速度或位移,一般涉及到加速度、轉動慣量等物理量的計算。在fluent中,可以使用6DOF模型進行處理,在CFX中,可以使用剛體模型(13.0以上版本才有)。

在FLUENT中,動網格涉及的內容包括:

(1)運動的定義。主要是PROFILE文件與UDF中的動網格宏。

(2)網格更新。FLUENT中關于網格更新方法有三種:網格光順、動態層、網格重構。需要詳細了解這些網格更新方法的運作機理,每個參數所代表的具體含義及設置方法,每種方法的適用范圍。

動網格的最在挑戰來自于網格更新后的質量,避免負體積是動網格調試的主要目標。在避免負網格的同時,努力提高運動更新后的網格質量。