Fluent问题整理:变中心、变方向的力矩统计

问题描述

存在相对运动的问题,在统计力矩时,其力矩中心和需要的轴向方向可能随时间而改变。

如分析列车错车时的气动侧向力矩变化,其力矩中心应该选择为列车的某个固定点,如列车车轮和轨道接触位置。由于列车之间存在相对运动,因此力矩中心虽然相对列车不动,但是在以大地为基准的绝对坐标系下会发生改变。

列车错车(图源:people.cn)

在Fluent仿真中,此类问题该如何获取力矩值?

力学背景

力矩是一个向量,其计算公式为:

linear format: 𝑀 ⃗=𝑟 ⃗×𝐹 ⃗

力矩的方向同时垂直于位置向量和作用力,且符合右手定则。

解决方法

说明:本文仅针对运动规律已知的问题,操作步骤基于2024R2版本,在其他版本可能有差异

以如下模型进行操作步骤说明:

1 模型中粉红色球为固体运动部件,绕Z轴旋转,需要获取旋转过程中的流体作用力矩变化规律,且力矩中心为粉红色球的球心

2 外围绿色圆柱体为固定不动的计算域,绿色球形面为固定域和旋转域交界面

在Fluent中,直接在Report Definition中创建力矩报告,其力矩中心和方向仅支持常数方式定义,无法设置为变量。

Report Definition创建力矩报告界面

基于创建报告的限制,可利用表达式的方式获取力矩数据。

步骤 1:创建表征球心坐标变化规律的表达式

球心的X坐标表达式如图所示,其根据运动规律进行推算获得。

球心的Y、Z坐标类似定义

步骤 2:创建位置向量

位置向量的表达式如图所示,通过向量函数进行定义。

函数vector用于创建向量,需要三个输入变量分别定义向量的X、Y、Z坐标。变量单位需要统一,建议各变量统一为长度单位。

向量函数输出的结果为向量。

步骤 3:创建基于球心坐标的力矩表达式

力矩表达式如图所示。

力矩函数Moment的首字母必须大写,小写无法识别。输入变量包括某个向量定义和统计位置。

力矩函数输出结果为向量。

步骤4:创建报告

在Report Definition中,创建报告仅支持数量型对象,即只能输出数字,无法以数组形式输出向量。向量结果的输出需要拆分为各方向分量,也可直接输出绝对值。

对于已定义的某个向量V,表达式中添加后缀含义如下:

  • v.x :X方向分量
  • v.y :Y方向分量
  • v.z :Z方向分量
  • v.mag :绝对值

上述四类表达式的结果均为数量。

通过表达式方式创建力矩报告,其X方向分量如图所示

若需要获取力矩在任意方向的分量,可参考之前文章:《Fluent后处理:获取任意方向的速度分量

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