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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    •   一、总述行业现状,面临的问题、挑战、机遇等

      1. 行业总述
      一般来说,通常计算域的边界都是静止的,或做刚体运动的。当物体运动时,必须使用动网格技术来计算边界的运动或变形问题。
       在流体工程中有大量的问题是边界运动或变形的,例如定转子的相互作用、飞机外挂物分离投放过程,内燃机中活塞和气门的运动,导弹出膛运动以及导弹的投放和子母弹的分离等。在求解上述问题时物体的运动(几何位置/大小/形状)随时间变化,非定常效应非常明显,须采用动网格或滑移网格技术来模拟。
      2. 面临的问题、挑战、机遇
      经过几十年来的努力,特别是近几年来,各个行业中众多的动网格问题的实现成为可能,因此也更多的得到关注。
      计算流体动力学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:(1)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。当然一些求解器也支持稳态动网格,这时候可以直接指定节点位移。(2)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,大多采用用户自定义程序进行网格设置,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。在流体的求解中,可以使用六自由度模型进行处理。
      因此归纳起来,动网格的核心内容主要是两点:
      (1)运动的定义。
      (2)网格更新。
      各种大型的商用软件动网格技术的发展方面一方面是集成各种运动的定义,使运动的定义方便快捷,能够准确的描述物体的运动;另一方面,是发展适应于各种网格运动边界的计算及运动网格的识别和更新方法。在网格更新的实现方法上常见的主要有弹簧光顺法、动态分层法和局部重构法,以及常见的重叠网格法。动网格的最大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。对于动网格的算法,最大的困难在于防止边界网格点重复交错和网格点丢失。一种最简单的方法就是根据新的物面重新生成计算网格,但需要花费大量的时间。可行的办法是借助于初始网格数据。 使用插值或迭代方法使网格按到边界的距离比例或按原来的稀疏比例重新分布。这样既快速地生成了网格。又保证了网格能及时地反映了物面地变化。
      目前国内外所发展的大多数动网格方法主要有代数法、迭代法和解析法。代数法和解析法花费相对便宜。但仅限于振幅小的运动。对于大位移运动可能导致网格交叉或合并。迭代法能够处理这样大的运动。但要花费昂贵的计算时间。随着CFD 技术和动网格技术的发展, 动网格技术必须满足:稳定性;精确性;易用性;效率性;可并行性。
      CAE技术的广泛应用,促使各行业对动网格技术的要求越来越迫切。
      二、该行业有哪些分析问题?
      动网格问题一般可归纳为以下三种:
      1.已知运动的动网格问题
      这一类问题主要特征是运动速度或速度的变化已知,运动是有一定规律的。例如风扇、泵等的旋转运动,阀门的开启和关闭,气缸、活塞的往复运动,鸟扇动翅膀飞行、鱼摆动尾巴游动等问题。在这类问题中,运动物体的运动是已知的,如何准确的描述和定义各种运动是需要解决的问题。在这类问题中,对于运动区域有交叉的模型,则两个或多个运动区域的相互影响成为计算的难点。
      2.流体驱动问题
      子弹发射、弹体投放、鱼雷发射、外挂件投放、子母弹分离等均属于此类。此类问题需要考虑运动物体周围流场对运动物体运动的影响。对于此问题主要的难点一方面是高速流场引起的一系列问题,如激波的出现、空泡问题等问题,流场的复杂性,加大了计算求解的难度。除此以外,动网格功能结合动力学方程求解运动边界的变化以及周围流场网格的变化是这一类问题的特征。
      3.边界变形的动网格问题
      由边界变形引起流场的变化问题,如心脏的跳动,动脉血管的膨胀与收缩,肺的吸气与呼气过程等问题均属于此类问题。
       

       

    • 动网格模型可用来模拟由于流体域边界运动或者边界变形引起的流体域形状随时间变化的各种流动问题,应用非常广泛。动网格可以用来解决的问题有:

      1、航空航天工业:飞机襟、副翼的运动,飞机外挂物分离投放过程,弹射救生过程,导弹井下发射过程,火箭级间分离、整流罩分离、尾罩分离过程等。

      2、船舶工业:减摇鳍的摆动,鱼雷发射,导弹水下发射等;内燃机中活塞和气门的运动等。

      3、兵器工业:子弹出膛过程,炮弹出膛过程等,导弹/炸弹投放,子母弹的分离等。

      4、化工工业:阀门的开启与关闭过程,振荡混合器运动等。

      5、汽车工业:发动机中活塞和气门的运动,雨刮器的摆动,两车交会、超车过程等

      6、流体机械:阀门的开启与关闭过程,偏心泵/齿轮泵转动,空调压缩机的运动等。

      7、隧道与机车工程:机车穿越隧道的过程,两车交会过程。

      8、生物医学:心脏的跳动,动脉血管的膨胀与收缩,肺的吸气与呼气过程等。

      9、生物仿生学:鸟扇动翅膀飞行、鱼摆动尾巴游动等。

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