Fluent 动网格+UDF 高速列车横风影响下动态气动仿真(一）

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本案例利用Fluent动网格对高速列车横风影响下的动态气动特性展开仿真。对横风32m/s（风向角90°）、行驶速度为300km/s的复兴号展开仿真，该案例所用模型为假设模型，仅作计算设置参考。通过此案例后续可以对不同横风角度、不同模型、不同行驶速度等工况展开类似仿真计算。

文本涉及到UDF、层铺网格，网格划分与流场设置十分繁琐，可能有部分遗漏，大家可以留言询问。

1 动网格技术说明

在Fluent中用于动网格更新的模型有以下3种：

弹簧近似光顺模型（Spring-Based Smoothing）、动态铺层模型（Dynamic Layering）以及局部网格重构模型（Local Remeshing）。

弹簧近似光顺模型中的位移量来修改的，进而对网格进行光顺调整。通常近似光顺模型和局部网格重构模型联合使用。

动态铺层模型是Fluent动网格方法一般适用于二维的四边形网格或三维的六面体棱柱网格，网格能够根据运动情况进行自动劈分、合并，但是该方法多应用于单自由度运动模式。

在本研究中采用动态层铺模型对高速列车运动进行模拟。

2 UDF说明

在本研究中采用动态层铺模型对高速列车运动进行模拟。仅在一个方向上运动，因此选择DEFINE_CG_MOTION进行定义，vel[0]代表x轴方向，相关的UDF代码如下：

#include "udf.h"#include "dynamesh_tools.h"DEFINE_CG_MOTION(piston, dt, vel, omega, time, dtime){  NV_S (vel, =, 0.0);  NV_S (omega, =, 0.0);     vel[0]=83;  }

2 workbench 设置

本案例需要设置如下三个模块的计算，其中包括动网格区域网格划分、外域网格划分与fluent计算三个部分，具体设置如下图：

3 SCDM 设置

3.1 导入几何

整体几何结构如下图:此边界参考相关文献，部分文献左边界为压力入口。

局部细节图如下，中间的长方体为动网格运动区域。

4 Fluent meshing 设置

采用Fluent meshing进行网格划分，运动区域划分为四面体网格导出为 FFF 1.1.msh，详细的划分方式在下一篇文章中介绍。外部静止区域划分为多面体网格导出为FFF 2.2.msh。

外部静止区域网格如下图所示：

运动区域网格如下图所示：

5 FLUENT 设置

5.1 General设置与网格导入

首先导入FFF 1.1.msh网格，其次通过下图所示的方法将FFF 2.2.msh导入。

由于本文涉及到列车运动，因此需要探讨瞬态计算结果，此处的设置比较简单，勾选为瞬态计算。

5.2 边界条件设置

首先依据前文讲述的几何模型，按照下图对边界进行设置。将地面设置为free-slip。

将运动区域与外部静止域之间的接触面设置为交界面，具体设置如下：

速度入口设置为32m/s，具体设置如下图：

5.3 边界条件设置

首先导入编辑的udf 。

对运动区域进行设置，即整个运动区域到网格都要添加udf，具体设置如下：

5.4 初始化设置

6 后处理结果

6.1 残差结果

为快速得到结果，采用的标准是10e-3。

6.2 后处理云图结果

对稳定后的表面压力云图进行绘制，可以发现，压力云图与Fluent 合成风法高速列车横风静态气动特性仿真（一）结果一致。因此为了快速计算，对于横风影响可以采用合成速度法进行计算。而动网格的方法适合于列车在不同地形中（例如隧道）前进，无法通过静态模拟的场景。

PS:阵风模型

阵风模型仅需修改入口速度表达式（后续将开展对变速度入口的介绍）即可，其余设置一致，为了节省篇幅，再此一并介绍。

入口速度表达式如下图：

基础教程 | FLUENT 工作区介绍

Fluent工作区介绍主要分为Fluentmeshing与Fluent两个软件的介绍，也只是进行简单的认知介绍，方便读者们更为快速的上手相关软件，并为本文案例文章的相关操作奠定基础。Fluentmeshing与Fluent两个软件的切换方式如下图所示，选择Meshing则进入Fluentmeshing，选择Solution则进入Fluent求解器模式。1FluentmeshingFluentmeshing主要使用的是WatertightGeometry模式，整个工作流程中分为几何导入、局部尺寸添加、面网格生成、几何结构描述、质量改建、添加边界层与体网格生成。当导入相应几何结构后并进行描述几何结构设置后，便可以在更新边界处对各个边界条件进行设置，可以更为快速的在fluent求解器中进行计算。2Fluent打开Fluent后，整体界面如下图所示，主要分为工具栏、概要视图、任务页面与视图。任务页面的显示与概要视图所框选的选项息息相关。概要视图中，主要使用的为以下三个模块：设置、求解、结果。设置中，一般在通用处选择瞬态和稳态、在模型处选择采用的湍流模型并叠加其他模型，例如多相流+湍流、换热器+湍流、湍流+结构等等。在材料处选择该仿真计算所使用的流体与固体材料、在边界条件处对各类边界条件的参数进行设置。求解中，主要是对求解方法进行设置，并可以在报告定义中建立相关的监测报告，在计算设置中设置自动保存的步数。并开始相关的计算运行。结果中则是对计算完成的后处理结果进行显示，包括云图结果、网格结果、迹线结果等。并且可以输出相关动画与各类报告。除此之外，还有工具栏的设置，主要用到的工具栏为域和用户自定义。域主要是用表面和自适应两个部分，表面中可以创建各类不同的面，用于后处理的云图与动画显示。自适应则可以选择自动···对网格区域进行标记，在局部初始化中进行应用。以上各部分的具体操作过于繁琐，将会在后续分系列展开相关介绍。来源：CFD仿真库