FLUENT overset和6DOF模拟小球自由落体运动

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1 前言

    FLUENT嵌套网格（overset）功能可用于固体运动问题，这些运动方式可以是任意的，相比与传统的动网格功能，它克服了动网格容易出现负体积的问题，可以处理小间隙的运动，而且设置简单。同时，在运动过程中可以保持好的网格质量，并且可以在非结构网格类型中嵌套局部高质量的结构化网格。今天，我们用嵌套网格结合6DOF模拟一下小球的自由落体运动过程。

2 建模及网格

    在ICEM CFD中划分如下两套二维网格，第一套网格为背景网格（命名background），模拟气体空间，四周都设置为壁面边界。第二套为前景网格（命名foreground），模拟小球及其附近的气体空间，将小球的轮廓设置为壁面边界，附近的气体轮廓设置为overset边界（可以在ICEM中先命名overset）。两套网格的计算域均为流体域。建模时，注意将小球的初始位置放在气体空间，可以将模型全部建好，然后分别删除其他的几何元素，留下需要的几何进行网格划分。

3 嵌套网格及6DOF设置

    先将背景网格读入FLUENT。

    再将前景网格读入，注意此时是通过APPEND来实现。

    我们再边界条件设置面板将命名为overset的轮廓边界条件设置为overset边界。

    接着创建overset interface，如下图。

    我们显示一下网格，此时只是将两套网格重叠在一起，最终预期的效果应该是小球的部分被挖空，我们需要通过TUI方式将overset功能开启。

    我们在TUI窗口输入如下的命令流：

define/overset-interfaces/options/expert（yes回车）

define/overset-interfaces/intersect-all

    此时我们再显示网格，如下图，至此完成了嵌套网格的设置。

    接下来进行动网格设置，小球的质量1kg，在y方向也就是重力方向上运动，重力加速度9.81m/s²，向下。

    然后，创建两个动网格区域。第一个是小球附近的气体空间，第二个是小球轮廓。

    以上是嵌套网格和动网格的设置，其他的设置就是常规设置了，这里不再细说。本案例，我们选择瞬态求解，设置合适的时间步长，创建速度动画，然后就进行求解和后处理了。另外，为了和自由落体理论姐进行对比，本案例暂不考虑气体的粘性作用，因此选择无粘模型。

4 计算结果

    我们截取小球自由下落的几个瞬间的位置，如下图，小球的下落动画可以在文末查看。

    我们获取小球的位移-时间曲线（注意经过了数据转换处理）如下图，我们知道自由落体运动公式s=0.5gt²（g=9.81 m/s²），因此小球的理论位移-时间曲线为s=4.905t²，fluent计算的运动加速度为9.787m/s²，略小于重力加速度。

    我们读取小球某个时刻的受力情况，如下，可以看出反作用于运动方向上有0.038N的力，这是由于压差引起的作用力，由于我们没有考虑气体粘性，因此粘性引起的作用力为0。于是，小球的运动加速度因为（9.81*1-0.038）/1=9.772m/s²。这就解释了FLUENT计算的小球加速度小于重力加速度。

    我们在看一下小球的速度-时间曲线，如下，接近于理论解，原因解释同上。

    小球自由落体动画（感谢gif5.net免费在线制作功能）。