三维活塞在气缸中的运动模拟

1.实例概述

已知一个冲程25mm，直径25mm的气缸，活塞从其顶部向下运动。活塞在气缸内的运动如图10-20所示。现在用FLUENT6.3动网格来模拟活塞在气缸中的运动。

图10-20 活塞在气缸内活动示意图

2.模型的建立

01 启动GAMBIT，选择工作目录D:\Gambit working。

02 单击Geometry→Volume→Create Real Cylinder，弹出Create Real Cylinder对话框，在Height文本框和Radius文本框中分别输入34.5和12.5，单击Apply按钮，生成气缸模拟体。然后输入8和12.5，生成活塞模拟体。接着输入1.5和12.5，单击Apply按钮，在活塞与气缸交界处再设置一薄面，在网格划分时可以平和过渡。

03 单击Geometry→Volume→Move/Copy Volume，选中Volume.3，输入（0，0，8），单击Apply按钮，几何体简图如图10-21所示。

04 单击Geometry→Volume→Subtract Real Volume，在弹出的Subtract Real Vol ume面板中先选择Volume.1，再在下一行中选择Volume.2和Volume.3，并选择Retain，单击Apply按钮，即将大圆柱分成3个小圆柱体，除去不需要计算的区域。

05 单击Geometry→Face→Connect Faces，弹出如图10-22所示的Connect Faces面板，选择Volume.2和Volume.3重合的两个面，单击Apply按钮，合成一个面。然后选择Volume.3和Volume.1重合的两个面，单击Apply按钮，合成一个面。

图10-21 几何体简图

图10-22 Connect Faces面板

3.网格的划分

01 单击Mesh→Volume→Mesh Volume，选中Volume.1，采用Tet/Hybrid和Tgrid的划分方式，Interval Count的分段方式，分成50段，单击Apply按钮，得到Volume.1的体网格，如图10-23所示。

02 选中Volume.2，采用Hex，Cooper的划分方式，分成50段，如图10-24所示。

03 选择Volume.3，采用Tex/Hybrid和Hex Core的划分方式，分成50段，如图10-25所示。

图10-23 Volume.1的体网格划分

图10-24 Volume.2的体网格划分

图10-25 气缸网格模型

04 单击Zones→Specify Boundary Types，在Specify Boundary Types面板中选择活塞上顶面，命名为moving-wall，类型为WALL；选择活塞下底面，命名为bottom；选择活塞壁面，命名为side-wall-1；选择夹层壁面，命名为side-wall-2；选择气缸壁面，命名为side-wall-3；选择气缸顶面，命名为top，类型都为WALL。

05 单击Zones→Specify Continuum Types，出现Specify Continuum Types对话框，在Entity中选中Volume.1，Type为FLUID，命名为fluid-1；选择Volume.3，命名为fluid-2；选择Volume.2，命名为fluid-3，单击Apply按钮，完成对流体的定义。

06 执行File→Export→Mesh命令，在文件名中输入valve.msh，不选择Export 2-D（X-Y）Mesh，确定输出的为三维模型网络文件。

4.求解计算

01 启动FLUENT 6.3，在弹出的FLUENT Version对话框中选择3d计算器，单击Run按钮。

02 执行File→Read→Case…命令，读入划分好的网格文件valve.msh。然后进行检查，执行Grid→Check命令。

03 执行Grid→Scale命令，调节网格尺寸。

04 执行Define→Models→Solver…命令，在Solver对话框中的Time项选择Unsteady，如图10-26所示。

05 执行Define→Models→Energy…命令，勾选Energy Equation复选框，如图10-27所示。

图10-26 Solver对话框

图10-27 Energy对话框

06 执行Define→Materials命令，弹出如图10-28所示的Materials对话框，Density下拉列表框选择ideal-gas，其他项保留默认值，单击Change/Create按钮。

07 执行Define→Dynamic Mesh→Parameters命令，在弹出的Dynamic Mesh Parameters对话框中勾选Dynamic Mesh和In-Cylinder复选框，在Mesh Methods选框中选中Smoothing、Layering、Remeshing复选框。选择Smoothing复选框，其中各项参数的设置如图10-29所示。

图10-28 Materials对话框

图10-29 动网格参数设置/Smoothing

08 单击Remeshing标签，打开Remeshing Parameters的设置对话框，如图10-30所示。

09 单击In-Cylinder标签，打开In-Cylinder Parameters设置对话框，如图10-31所示。Starting Crank Angle文本框与Crank Period文本框分别设为180和720，表示当活塞处在下死点位置时，活塞杆的曲柄为180°，到上死点时曲柄角为360°，再次回到下死点时曲柄角为540°，再到上死点为一周期720°。设置活塞杆冲程（Piston Stroke）文本框为8，设置连杆长度（Connecting Rod Length）文本框为14。

图10-30 动网格参数设置/Remeshing

图10-31 动网格参数设置/In-Cylinder

10 执行Defline→Dynamic Mesh→Zone命令，弹出Dynamic Mesh Zones对话框。

1 设置活塞（moving-wall）的运动。在Zone Name下拉列表框中选择moving-wall；在 Type选框中选择Rigid Body；在Motion UDF/Profile下拉列表框中选择**piston-full**；单击Meshing Options标签，弹出如图10-32所示的对话框，在Meshing Options中设置Cell Height为0.5；单击Create按钮。

2 设置活动壁面（side-wall-1）的运动。在Zone Name下拉列表框中，选择side-wall-1；在Type列表框中选择Deforming；单击Geometry Definition，在弹出的对话框的Definition下拉列表框中选择cylinder；Cylinder Radius选择4；Cylinder Origin的坐标为（0，0，0），Cylinder Axis的坐标为（1，0，0），如图10-33所示。单击Create按钮完成。

图10-32 Dynamic Mesh Zones对话框(www.xing528.com)

图10-33 动网格区域设置对话框--活动壁面设置

3 设置活塞上部区域的运动。如图10-34所示，在Zone Names下拉列表框中，选中fluid-3，如图10-34所示。Type选框中选择Rigid Body；在Motion UDF/Profile下拉列表框中选择**piston-full**；单击Create按钮。同理，设置fluid-2。

11 执行Solve→Control→Solution…命令，弹出如图10-35所示的Solution Controls对话框，保持默认值。在压力--速度耦合（Pressure-Velocity Coupling）下拉列表框中选择PISO；亚松弛因子（Under-Relaxation Factors）选项组中Pressure文本框设为0.6，Momentum文本框为0.9；在Discretization选项组的Pressure下拉列表框中选择PRESTO！；单击OK按钮。

图10-34 动网格区域设置对话框--活塞上部区域的设置

图10-35 Solution Controls对话框

12 对流场进行初始化。执行Solve→Initialize→Initialize…命令，顺序单击Init、Apply、Close按钮。

13 执行Solve→Monitors→Residual…命令，在弹出的Residual Monitors对话框中选择Plot，其他保持默认值，单击OK按钮。

14 执行File→Write→Autosave，弹出如图10-36所示的对话框，Autosave Case File Frequency微调框与Autosave Data File Frequence微调框都输入90，即每迭代90步保存一次case与data文件；Filename文本框中输入文件名与保存文件的路径。

15 执行Solve→Animate→Define命令，弹出Solution Animation对话框，按照图10-37设置参数。Animation Sequences微调框输入1，Active Name文本框输入temperature，Every微调框输入5，When下拉列表框输入Time Step，即每隔5个时间步长保存一次温度等高线图。

图10-36 Autosave Case/Data对话框

图10-37 设置参数创建温度云图动画

16 单击Define…按钮，弹出如图10-38所示的对话框。Window微调框设为2，Display Type选项组中选择Contours，弹出如图10-39所示的Contours对话框。在Contours of下拉列表框中选择Temperature和Static Temperature，去掉Auto Range，在Min文本框中与Max文本框中分别输入300与600，Surfaces列表框同时选中moving-wall、side-wall-1、side-wall-2、side-wall-3、top-wall，单击Display按钮，弹出如图10-40所示的t=0s时的静温云图。

图10-38 动画定义对话框

图10-39 设置温度云图对话框

图10-40 t=0s时静温云图

17 执行Solve→Iterate…命令，在弹出的Iterate对话框中设置Number of Time Steps为720，其他保持默认值，单击Iterate按钮即可开始求解。

18 执行Display→Contours…命令，弹出Contours对话框，在Contours of下拉列表框中选择Temperature和Static Temperature，Surfaces列表框中选择moving-wall、side-wall-1、side-wall-2、side-wall-3、top-wall，单击Display按钮，出现气缸静温分布图，如图10-41和图10-42所示。

图10-41 在720个时间步长时（活塞处于下死点）的气缸静温分布图

图10-42 在360个时间步长时（活塞处于上死点）的气缸静温分布图

19 执行Solve→Animate→Playback命令，弹出如图10-43所示的Playback对话框。在Playback Mode下拉列表框中选择Play Once；End Frame微调框选择720；在Sequences列表中选择temperature，动画播放控键同时被激活，单击播放键后即开始播放动画。

20 执行Surface→Iso-Surface命令，弹出如图10-44所示的Iso-Surface对话框。从Surface of Constant下拉列表框中选择Grid/X-Coordinate；单击Compute按钮将在Min文本框与Max文本框中分别显示X坐标的最小与最大值；Iso-Va lues文本框取0；New Surface Name文本框取名x=0。单击Create按钮，即创建X=0处的截面。

图10-43 设置动画播放

图10-44 创建缸内X=0处截面的对话框

21 执行Display→Vector，弹出如图10-45所示的Vectors对话框。Vectors of下拉列表框中选择Velocity和Velocity Magnitude；Surfaces列表框中选择x=0；Style下拉列表框中选择arrow，Scale文本框取1.2。

22 执行Dispaly→Grid，弹出如图10-46所示的Grid Display对话框。Options选框中选择Faces；Surfaces列表框中选择moving-wall、side-wall-1、side-wall-2、side-wall-3、top-wall。

如果想要变化网格颜色，可以单击Colors…按钮，弹出如图10-47所示Grid Colors对话框。Types列表框中选择wall，Colors列表框中选择yellow，单击Close按钮关闭对话框。

23 执行Display→Scene，弹出如图10-48所示的Scene Description对话框。Names列表框中选择side-wall-1、side-wall-2、side-wall-3、top-wall。单击Display按钮，打开如图10-49所示的Display Properties对话框，调整Transparency的滚动条为56，单击Apply按钮。此时，上死点位置截面的速度矢量图如图10-50所示。

图10-45 Vectors对话框

图10-46 Grid Display对话框

图10-47 Grid Colors对话框

图10-48 Scene Description对话框

图10-49 Display Properties对话框

图10-50 上死点位置截面的速度矢量图

24 计算完的结果要保存为case和data文件，执行File→Write→Case&Data…命令，在弹出的文件保存对话框中将结果文件命名为valve.cas，case文件保存的同时也保存了data文件jump.dat。

25 最后执行File→Exit命令，退出FLUENT6.3。