网格运动的守恒方程

网格运动在固体力学和流体力学中有着不同的内涵。在固体力学中,应用拉格朗日公式,使计算域的一部分表示固体的一部分。因此,固体网格的运动对应于固体的运动。流体力学应用欧拉描述,使计算域的一部分表示材料流过的空间部分。在这种情况下,移动流体网格以考虑边界的形状和位置变化,例如由于相邻体的运动。

流体力学

网格运动通过在对流项中引入额外的通量来修改守恒方程。此外,如果相对于移动参考坐标系定义运动,则动量方程会考虑因非惯性参考坐标系产生的假想力。

移动网格的流体方程

考虑最常见的情况,即:相对于参考坐标系定义网格运动,而参考坐标系相对于基准参考系移动。守恒方程(Eqn. (654)、Eqn. (655) 和 Eqn. (658))可以按基准坐标系中的流体速度(也称为绝对速度)写为:

图 1. EQUATION_DISPLAY
∂∂t∫Vρ dV+∮Aρ(vr−vg)⋅da=∫VSu dV
(4862)
图 2. EQUATION_TITILE
∂∂t⁡∫VρvdV+∮A ρv⊗(vr−vg)⋅da = ∮Aσ⋅da+∫Vfb dV−∫Vρω×v dV
(4863)
图 3. EQUATION_TITLE
∂∂t ∫V ρE  dV+∮A ρE(vr−vg)⋅da=-∮A q⋅da+∮A (v⋅σ)⋅da+∫V fb⋅vdV+∫V SE dV
(4864)

其中, v g 为基准参考系中的网格速度, v r 为 Eqn. (4860) 中定义的相对速度。Eqn. (4863) 右侧的最后一项为由非惯性移动参考坐标系引入的假想力。假想力由 coriolis 力和离心力组成。如果参考坐标系不移动,则此假想力将会消失,且 v r = v 。

对于基准坐标系中的固定网格,Eqn. (4862)、Eqn. (4863) 和 Eqn. (4864) 将简化为 Eqn. (664)、Eqn. (665) 和 Eqn. (666)。

空间守恒

当网格移动时,其网格单元的形状和位置可以随时间变化。对于直接移动网格节点的运动(如变形或用户自定义运动),Simcenter STAR-CCM+ 会求解一个额外的方程来强制执行空间守恒:

图 4. EQUATION_DISPLAY
ddt∫V dV=∫Avg⋅da
(4865)

这样,Simcenter STAR-CCM+ 可确保网格单元体积的变化率平衡其边界表面的运动。

网格通量计算

在 Eqn. (4862)、Eqn. (4863) 和 Eqn. (4864) 中,对流项包含网格速度和移动参考坐标系产生的额外贡献。

考虑到对流项的离散形式(请参见 Eqn. (882)),这些贡献将转化为额外通量 G,称为网格通量。面 f 处的已修正对流通量则可以写为:

图 5. EQUATION_DISPLAY
[ϕρ(v⋅a - G)]f=m˙fϕf
(4866)

其中:

图 6. EQUATION_DISPLAY
G=GMRF+Gg
(4867)

移动参考坐标系产生的贡献 GMRF 计算如下:

图 7. EQUATION_DISPLAY
GMRF=(vMRF,t+ωMRF×r)⋅af
(4868)

当参考坐标系不移动时,GMRF=0。

对于一阶时间近似,网格运动产生的贡献计算如下:

图 8. EQUATION_DISPLAY
Gg=δVfnΔt
(4869)

对于二阶时间近似:

图 9. EQUATION_DISPLAY
Gg=(α2-1)δVfn+1-δVfnα(α-1)Δtn+1
(4870)
且:
图 10. EQUATION_DISPLAY
α=1+Δtn+1ΔtnΔtn+1=tn+1-tnΔtn=tn-tn-1
(4871)

其中,δVfn+1 为面 f 在时间步 Δtn+1 期间扫掠的体积,δVfn 为面 f 在时间步 Δtn 期间扫掠的体积。

将从两个时间级别的网格位置计算扫掠体积。n 表示当前时间级别,n-1 表示上一个时间级别,而 n+1 表示下一个时间级别。Δt 为时间步。

当网格固定时,Gg=0。

固体力学

在固体力学应用中,可根据应用的负载对固体结构的变形进行建模。当固体具有预先指定规律的运动时,Simcenter STAR-CCM+ 还会考虑因固体结构加速度产生的惯性力而导致的变形。

固体力学应用与旋转、平移和旋转和平移刚体运动模型兼容。这些运动只能相对于基准参考系定义。

位置、速度和加速度

Simcenter STAR-CCM+ 支持多级叠加旋转和平移,其中较低级别的运动相对于父运动进行定义。应用 n 个任意叠加的旋转和平移之后,网格节点的位置可以写为:

图 11. EQUATION_DISPLAY
Xn=Xc1+Rn(X−Xcn)+∑i=1ndi+∑i=1n−1Ri(Xc(i+1)−Xci)
(4872)

其中,Xci 为第 i 个运动的原点位置,X 为节点的初始位置,di=vit 为因平移产生的第 i 个运动的节点位移(其中 vi 为平移速度),Ri 为复合旋转矩阵,定义如下:

图 12. EQUATION_DISPLAY
Ri=R[(∑k=1iωk)t]
(4873)

对 Eqn. (4872) 求微分可提供刚体网格速度 vg:

图 13. EQUATION_DISPLAY
vg=∑i=1n[vi+ωi×(X−Xci)]
(4874)

其中,ωi 为第 i 个运动的复合角速度:

图 14. EQUATION_DISPLAY
ωi=∑k=1iωk
(4875)

对 Eqn. (4874) 求微分可提供刚体网格加速度 v˙g:

图 15. EQUATION_DISPLAY
v˙g=∑i=1nv˙i+∑i=1n2ωi×vi+∑i=1nω˙i×(X−Xci)+∑i=1n[ωi×(∑i=1n[ωi×(X−Xci)]−∑j=1i[ωj×(Xci−Xcj)])]
(4876)

其中,第一项为平移加速度,第二项为 Coriolis 加速度,第三项为离心加速度,最后一项为切向加速度。

刚性移动网格的动量方程

通过预先指定规律的网格运动,动量方程 (Eqn. (4460)) 可以写为:

图 16. EQUATION_DISPLAY
ρu¨−∇⋅σ−fb+ρv˙g=0
(4877)

其中,v˙g 为因预先指定规律的运动而产生的网格加速度(请参见 Eqn. (4876))。类似的更改将应用于虚功方程 (Eqn. (4462))。

总位移可以写为:

图 17. EQUATION_DISPLAY
uT=uR+u
(4878)

其中,uR 为预先指定规律的旋转和平移产生的刚性位移,u 为固体应力求解器计算的非刚性变形产生的位移。没有旋转和平移时,uT=u。

对于 FSI 应用程序,还可以根据通过 Eqn. (4877) 计算得出的位移移动固体网格(请参见固体位移运动)。

对于基准坐标系中的固定网格,Eqn. (4877) 将简化为 Eqn. (4460)。为了与流体兼容,固体力学应用还支持移动参考坐标系中的固定网格。如果是网格运动,则所有结果均显示在相对于基准坐标系的移动网格上。对于移动参考坐标系中的固定网格,所有结果均显示在相对于移动参考坐标系的固定网格上。