重叠网格【基于SC/Tetra重叠网格法的交叉旋转模型分析】

　　摘要： 为解决流体力学计算中部分区域作复杂相对运动以及固体空间接触等问题，介绍重叠网格法的计算原理，基于SC/Tetra软件，利用八叉树方法对含有2块各自绕轴旋转的板的交叉旋转模型进行网格划分，计算得到其流场的矢量流速分布，结果表明由于网格过渡得很好，旋转区域的形状对计算结果影响很小，旋转区域与周围区域的变量能得到很好的过渡.SC/Tetra软件具有完善的重叠网格计算功能，能有效解决相对运动问题，且操作简单、计算结果准确.
　　关键词： 交叉旋转模型； 相对运动； 重叠网格法； SC/Tetra
　　中图分类号： TB115.1； O35 文献标志码： B
　　Cross-rotation model analysis based on
　　overset mesh method of SC/Tetra
　　ZHANG Luolian
　　(Shanghai Shenmo Computer System Integration Co., Ltd., Shanghai 200030, China)
　　Abstract： To solve the hydrodynamics calculation issues such as complex relative motion among regions, solid contact, and so on, the calculation principles of the overset mesh method is introduced, a cross-rotation model with two plates which rotate around the axes of themselves is meshed by Octree method based on SC/Tetra software, and the velocity vector distribution of its flow field is calculated. The result indicates that, due to the good transition of mesh, the shape of rotation region has little effect on calculation results and the variables has good transition from the rotation regions to the surrounding regions. SC/Tetra has perfect overset mesh calculation function and can solve relative motion issues effectively with simple operation and accurate calculation results.
　　Key words： cross-rotation model; relative motion; overset mesh method; SC/Tetra
　　0 引 言
　　近年来，CFD得到飞速发展，已在航空、航天、汽车、船舶、能源和化工等行业得到越来越广泛的应用.随着机械制造技术的快速发展和人民生活质量的显著提高，人们对产品效率、稳定性和安全性等的分析验证要求越来越高.［1］机械产品自身外形的复杂性及其运动幅度也给计算分析提出更多新的挑战［2］，同时，用户也期望CFD软件使用起来能更加简单、便捷.［3］
　　日本CRADLE公司于1998年基于非结构化网格和控制体积法开发出CFD软件SC/Tetra.该软件在汽车、电站、国防、旋转机械和环境等领域得到广泛应用；SC/Tetra使用简单、结果精确、解题迅速且节约内存.［4］
　　1 重叠网格法
　　重叠网格法通过网格重叠进行计算，其显著优点是可以解决部分区域作非常复杂的相对运动以及固体空间接触等问题，而其他模拟流场相对运动方法往往难以解决上述问题.［5］
　　网格重叠的机理是通过重叠部分的网格在不同的2个区域之间传递计算信息.如图1所示，master区域与slave区域间网格重叠在一起.在计算开始后，重叠区域以slave区域的插值信息为基础，根据与重叠区域外部邻近网格的点的连接信息、重叠区域边缘与master区域的网格的点的插值重新生成复合重叠网格；在复合重叠网格计算中，重叠区域外部邻近网格的点与重叠区域边缘的点会被当作边界点处理，slave区域的网格通过插值方式与master区域的网格之间进行值的传递和交换.在重叠网格计算中，需要记录交叉在一起的2种不同网格的信息并让数值在其间传递，这非常困难，因此重叠网格计算往往耗时较长.［5］
　　需要指出的是，在重叠网格计算过程中，有部分区域会被MAT0处理，即这些区域不被计入计算区域，一般包括：(1)在master区域中与slave区域重叠的网格；(2)在slave区域中未重叠的网格；(3)在slave区域中与master区域重叠的，但是为固体的那部分网格.
　　在重叠网格法中，区域之间受形状和相对位置的约束较小.
　　2 计算模型、分析条件和网格划分
　　采用的计算模型见图2，中间2块板分别绕各自的轴旋转，转速均为200 r/min.SC/Tetra具有完善的重叠网格功能，模拟计算都在SC/Tetra中进行.打开SC/Tetra的前处理器SCTpre，注册模型中的各个面后设定Analysis Conditions.本次分析只针对流场计算，不考虑温度影响，求解质量守恒和动量守恒方程；湍流模拟采用标准k-ε模型方法；离散方法选用有限体积法；压力-速度方程求解采用SIMPLE法进行瞬态分析.
　　影响CFD仿真求解时间和精度的重要因素之一是网格质量，包括网格尺寸、正交性、长宽比、内角和相邻网格的过渡等.在本文算例中，采用八叉树方法划分计算网格，即Octree方法.Octree方法的网格划分原理为：在曲面模型外围形成一个将物体完全包围起来的封闭空间，一般将此封闭空间命名为包围盒；使用Octree方法将包围盒从3个方向分层次地分割为8个子立方体层次结构；根据网格精度要求，再依次继续使用Octree方法划分各子立方体，周而复始，直至完全达到网格尺寸要求为止.显然，子立方体越小，得到的四面体网格就越精细，即得到的网格单元密度可通过子立方体的大小或八叉树的分解层次决定.该方法思想简单、易于实现，并且具有几何局部特征的自适应性和单元密度的可控制性特点.［6］