[案例分析]Fluent中动网格负体积成因分析与解决办法——以圆柱俯仰震荡为例

有不少同学在使用Fluent中的动网格功能时，在网格变形过程中遇到了负体积的问题，这里以一个二维圆柱振荡的例子来解释负体积原因，并给出解决的办法。

1、实例介绍

一个直径为D=0.5m的二维圆柱实现上下振荡，振荡的运动规律下式所示

其中振荡的幅值为0.5D，f为振荡频率，f=5Hz

首先建立网格，之后我们使用Fluent中的动网格功能来实现这一实例。

2、 网格生成

为了方便显示网格变形过程中的负体积情况，这里建立一个很粗糙的网格（如图 1所示），第一层网格高度比较大，这样比较方便看到变形中的负体积情况，当然，本文的目的就是如此，请各位搞学术的同学要认真处理自己的模型。

图1 建立的圆柱网格

3、编写运动程序

这个振荡的程序很简单，用UDF来控制运动的速度即可，编写的程序如图 2所示。

图2 控制程序

4、动网格及动区域设置

这里使用Fluent19.2版本进行演示，由于老版本在动网格部分的设置有所改变，因此以下将简单那介绍Fluent 15.0版本的操作过程。

由于我们的主要目的是看负体积的过程及原因，这里已经complied好了UDF，并将中间的圆柱设置为rigidbody来实现上下的振荡。

动网格Dynamic mesh methods我们先试用Smoothing中的弹簧光顺Spring来进行，这在Fluent中算是一类很经典的很常用的方法啦。动网格的默认设置如图 3所示，默认的，不进行改变，注意这里面的Elements中有三个选项，默认是“All”，意味着弹簧变形对于所有类型的网格单元（二维：三角形、四边形；三维：四面体、六面体）都打开了，当然，你也可以改变。

图3 动网格设置

动区域设置如图 4所示，wall即为中间的这个圆柱，然后这个centerof gravity location指重心位置，一般在旋转运动中会使用到，这里我们不动它。剩下的Mesh options和Solver options我们都不动它们，下面初始化之后，直接进行动网格预览，预览前记得保存case，不然报错了可就不能动啦。

图4 动区域设置

5、预览动网格运动

频率f=5Hz，周期就是T=0.2s，我们给一个时间步长为T/100，来看看动网格更新的过程。嗯，出现了负体积了。出现了负体积了之后，这个软件里面的时间就变成了预览之后的真实时间，必须从新导入之前保存的case data才能重新进行尝试。

6、负体积的成因

由上面的视频可以发现，在圆柱运动的过程中，圆柱上方的网格被挤压的越来越厉害，当圆柱挤压的程度导致某一些网格线相互重叠交叉，负体积就会出现了，通俗点说就是网格变形的速度跟不上部件移动的速度，导致网格塌陷出现负体积。如图 5所示，变形后的网格滋到了旁边的网格里面去了（随手一画的）。

图5 网格变形出现负体积示意

此外，如果网格质量不好，也就是说，本来他质量不怎么好，网格就存在缺陷，存在相互交叉的可能，然后一变形，马上就坏掉了，因此，网格质量也是一个负体积的原因，要尤其关注生成一套质量高的网格。

7、解决办法

1)       首先找到负体积的位置

找到负体积出现在哪里，找到病灶，才能治病。有些模型比较简单，肉眼可见的地方去放大，比如我们这个模型，肯定是在圆柱边界上方。图 6为圆柱上方的负体积位置，白色的壁面和绿色的网格先出现了重叠，导致了负体积。

图6 圆柱上方的负体积位置

对于复杂模型，肉眼不可见就需要通过软件来标记（mark）负体积的位置，这样操作：19.2的版本中，GUI找到这样的设置：Setting updomain>Adapt>Mark/Adapt cells>Iso value adaption，打开如下窗口，在Iso-values of中找到Mesh，下面选择Cell Volume，然后点Compute，看看当前的网格体积都是什么范围，这里显示的是一个负数到正数的范围，说明有负体积的网格，然后在Iso–Min中输入负体积最小值，Iso-Max输入0，点击Mark就可以标记负体积的网格了。

图7

然后在Adapt的窗口下面选择ManageAdaption Registers，出来的窗口中选择刚刚的Isovalue0点击Display就出来了。当然，如果再看不清楚，那就点击右下角的Options把你需要的网格也Draw出来。图 9为被标记的负体积网格单元。

图8

图9 标记的负体积单元

2)       网格变形方法导致的负体积

特别是在老版本中，这个问题比较常见，不合适的网格变形方法会导致负体积的出现，如在15.0版本中，默认的Spring弹簧光顺是不支持我们图中的四边形网格的，需要通过特别的TUI命令打开，但是在这个19.2版本中又支持了，但是能，可以看到，我们这个变形效果并不是很好。

针对这种问题。可以尝试使用较大的弹簧光顺因子或者换用另外两种光顺方法，比如，这里我们使用对较大变形效果比较好的扩散光顺。扩散光顺因子在这个高版本中的范围是[0,3]，不再是之前在老版本中的[0,2]了，哈哈，各位同学自己试一下哟。对于较大的变形，使用较大的光顺因子来光顺。比如我们这里使用2（如图 10），来看看新的效果。嗯，很棒。

图10 扩散光顺设置

扩散光顺网格变形，凑合看一下啦

当然，第三个线弹性光顺也可以使用，具体的区别请参考流沙老师的博客

3)       部件运动速度过快导致的负体积

这个问题请思考上面的负体积成因就可以理解了，如果部件在一个时间步长内运动速度过快，那就超过了网格扩散的速度，也有可能导致负体积，这种情况下，需要把时间步长调小，特别是对于网格尺寸越来越小的时候，要尤其注意这个情况。

4)       网格质量导致的负体积

这个的话，请好好调整网格质量吧，可以利用Fluent中的mesh>repairimprovement>repair的TUI命令来进行改善，也可利用他自己的Improve来改善网格质量。

本文转自梨梨梨梨不开博客，感谢原作者。如有侵权请立即联系删除。