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旋翼类飞行器Fluent气动仿真之小鸟直升机与嵌套网格仿真流程与方法

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
平台推荐: 主编推荐/内容稀缺

仿真圈

3月前浏览6655

导读：认识Graychen比较庆幸!他原创的文章《3年！我收获了22条ICEM使用经验与网格划分错误分析》首次发布在仿真秀APP，就引起了平台的关注。因此就开启了他“一位不断学习与分享的飞行器设计工程师”创作之路。

3年来共制作原创视频教程29套，时长突破了2000 分钟，涵盖无人机行业研发仿真的方方面面，实用性超强；目前他的视频播放突破20000 次，并为订阅用户提供答疑专栏、加餐直播和VIP群服务。因此他创作无人机教程无一不获得众多订阅用户的五星好评，也因此获得了仿真秀平台“2020年度优秀讲师”好评，实至名归！

接下来，他将继续给我们带来旋翼类飞行器Fluent气动仿真那些事。以下是正文：

一、写在前面

旋翼类飞行器相较于固定翼飞机，最显著的特征时具有转动的旋翼，无论其是主动旋转还是被动旋转。相对于固定翼飞机产生升力的部件是机翼，旋翼类飞行器是依靠旋翼的旋转产生升力。

在Fluent中进行旋翼类飞行器的气动仿真的方法有SRF、MRF、SMM、混合平面模型、动网格、嵌套网格、VBM、3Dfan等。不同的方法各有优缺点，各有适用的范围。

文章以美国麦道公司的“小鸟”直升机作为案例模型，讲解利用嵌套网格进行旋翼仿真分析的流程（小助手：分享本文到朋友圈4小时后，截图发给任意仿真小助手可领取该无人机模型）。

二、案例说明

下面3张图片是“小鸟”直升机的真机照片和经过简化后的模型图片。简化后的模型删除了不重要的细节特征，保留了关键部件。

假设直升机以水平速度Vz=2m/s，垂直速度Vy=1m/s进行前飞和爬升，同时主旋翼转速为1800RPM,尾旋翼转速1200RPM，计算1秒内的飞行状态。前飞的仿真其实可以利用相对速度法，但是这里为了给大家演示嵌套网格和UDF的使用，并没有这么做。

FLUENT嵌套网格（overset）克服了动网格容易出现负体积的问题，可以处理小间隙运动，这些运动方式可以是任意的，采用嵌套网格可以避免动网格带来的网格质量变差，负体积等情况，而且设置相对简单，可以有效的提高计算的效率。嵌套网格的缺点在于几何网格的处理和计算精度问题，计算精度是软件开发工程师需要考虑的问题，我们使用者只需要关注软件的使用。

三、求解思路

1、几何前处理

将模型导入SCDM中，导入后的模型需要进行修复，去除一些多余边和无用面，合并多实体，使其成为一个实体，最后创建计算域。在SCDM里面创建计算域十分方便，可以采用壳命令，也可以采用先拉伸后组合的命令进行创建，根据自己的需要灵活把握。由于涉及到嵌套网格，在建立几何部件的时候需要创建前景区和背景区两套几何。在两套几何里面进行组的创建，用于后续的网格划分。

创建了前景和背景几何的模型

2 、网格划分

采用Fluent Meshing进行网格划分，FM在非结构网格划分方面功能很强大，个人使用的感觉是远胜于ICEM软件。在FM中分别导入前景区和背景区几何，分别进行网格划分。

利用尺寸函数sf文件导入几何的方式可以解决几何上的一些小问题，提高生成的网格质量。前景区里面还包含了旋转区域，所以网格划分的时候还涉及到了多区域网格划分的问题。背景网格没有特别之处，可以划分为结构网格也可以划分非结构网格。由于后续求解是瞬态计算，所以网格划分成不共节点的形式。

案例为演示作用，所以网格尺寸设置的较为粗糙，划分完毕后的多面体网格约40万。

划分完毕后的前景网格和背景网格

3、求解

将划分好的前景网格和背景网格导入到fluent中进行求解设置，除了常规设置外，需要特别注意是前进区域overset边界的设置和数据传递的interface面的设置。

该案例的运动部件一共有三个，分别是：机身、主旋翼和尾桨。

旋翼是平移运动，主旋翼和尾桨都是平移转动，这些运动都无法在fluent里面直接设置，为了表述直升机的运动，需要利用Define_Zone_Motion宏进行区域运动的指定。

该宏能够指定每一时间步的线速度与角速度，Fluent利用这些速度更新动态区域的节点位置,该宏只能用于编译型。

4、结果分析

瞬态求解完毕后，将求解数据导入到CFD-POST中进行进行后处理获取速度，压力云图，获取流线，流动矢量图等来探求直升机前飞过程中的气动特性。

四、写在最后

真实的直升机前飞过程中，桨叶在旋转运动时还伴随着周期性的变距和挥舞运动，如果采用动网格模型，计算量会很大而且计算过程中的网格质量难以控制。这时可以采用嵌套网格或者VBM模型进行仿真。

为了降低演示案例的复杂度，利用直升机的前飞给大家演示了嵌套网格和UDF的使用，如果需要仿真主旋翼的周期变距和挥舞，只需要按照本文介绍的方法利用UDF对相应的桨叶指定规定的运动就行了。

下面是采用嵌套网格进行旋翼气动仿真的文献中所使用的嵌套网格图片。

限于作者水平和软件操作习惯等因素，错误必然很多，对于文中不正确的地方，欢迎大家批评指正。

四、我的独家精品课

受仿真秀平台邀请，自2021年3月起，我将在平台独家发布精品课 《行业实战进阶·旋翼类飞行器Fluent 气动仿真11讲》，希望让你获得Fluent动网格、流固耦合、离散相、6DOF、嵌套网格和UDF仿真技术等。

以实际操作为主，基于一位飞行器设计工程师的实际工作经验来设计的课程。

以下是我的课程安排，点击图片可以试看

相较于固定翼飞行器，旋翼类飞行器的气动分析过程相对复杂，通过10个不同类型的旋翼类飞行器的仿真实例，让你全面掌握与旋翼类飞行器相关的气动仿真技能。

每个案例时长一个多小时，从仿真思路和原理的讲解到几何的预处理，网格的划分，求解器的设置计算以及结果后处理，独立成课可单独学习。每个案例所涉及的fluent方法、求解模型均不同，让你尽可能多的掌握fluent仿真技术。通过系列课，让你尽可能掌握旋翼类飞行器仿真相关的内容。

1、课程适应人群

根据课程的总体规划，适合所有零基础新手学习的快速入门教程，具体包括一下人员：

学习型仿真工程师
理工科院校学生
从无人机设计的工程师
从事无人机螺旋桨（旋转机械）设计的工程师

2、课程学习后的效果

可以掌握利用SCDM软件进行几何前处理的基本操作和方法；
可以掌握利用Fluent Meshing进行网格划分的操作和方法；
全面掌握fluent在旋翼类飞行器气动仿真分析中的用法和设置等；
全面掌握利用fluent进行旋翼、旋转机械等器件的气动仿真的方法；
全面掌握动网格、流固、离散相、6DOF、嵌套网格、UDF等fluent计算的技术；
课程所采用的算例模型与实际模型相似度高，便于学员借鉴。购买课程的学员可以获得全部的算例模型、设置文件、结果文件以及后处理文件。

所有订阅用户可以获得讲师的90天答疑专栏服务（可公开提问或私问），并且提供VIP群交流，后续可以根据用户需求开展免费的加餐直播。购买全套课程的用户可以获得全课程模型，PDF等资料下载服务。进群和开具发票请联系平台任意仿真小助手。

（完）

作者：Graychen，仿真秀专栏作者，一位不断学习与分享的飞行器设计工程师

声明：本文首发仿真秀App，部分图片和内容源自网络，如有不当请联系我们，欢迎分享，禁止私自转载，转载请联系我们。

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Fluent Workbench 流体基础动网格 UDF 气动噪声旋转机械通用航空航天无人机

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首次发布时间：2021-04-01