Fluent 动网格+UDF 高速列车横风影响下动态气动仿真(一）

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。

  

5.3 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：

  

5.6 初始化设置

相关初始化设置如下图。

5.7 计算设置

此处进行的计算设置如下：

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。

云图动画结果如下图所示：

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：

相关结果如下：