烟羽模型的建立

烟羽模型的建立•烟羽模型的构建是为移动机器人主动嗅觉研究而服务的。移动机器人主动嗅觉定位技术的研究起源于上个世纪90年代欧美和日本一些发达的国家，距今只有十几年的历史，但受到了广大专家和学者的关注。它集成了智能技术﹑传感器及信息处理技术﹑仿生学﹑控制科学、计算机科学﹑流体力学等多种学科的知识。主动嗅觉可以主动对目标化学物质感知并确定其位置，在环境监测﹑灾难营救、危险物品泄漏检测和大型工厂仓库保安等方面具有重要的研究意义和潜在的应用前景。但是机器人主动嗅觉的研究受硬件和外界环境的影响较大，这很不利于其发展，再考虑到其成本问题，能够建立一个合理的研究模型就显得很有必要了，而烟羽模型的构建正是此模型研究的前提，这也就说明了构建一个合理烟羽模型的意义所在。烟羽模型的构建•本文主要就是讲述烟羽模型的构建及其简单处理的一些问题。全文可分为三个部分：•一、模型网格的构建•二、生成烟羽•三、烟羽模型的后期数据处理一、模型网格的构建•1、使用的软件简单介绍•网格的构建所需要的软件是GAMBIT，它是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。此外，GAMBIT也是一部电影的名字。•GAMBIT软件具有以下特点：•☆ACIS内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，ACIS内核已提高为ACISR12。该功能大大领先于其它CAE软件的前处理器；•☆可对自动生成的Journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格；•☆可以导入PRO/E、UG、CATIA、SOLIDWORKS、ANSYS、PATRAN等大多数CAD/CAE软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证GAMBIT与CAD软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量；••☆新增PRO/E、CATIA等直接接口，使得导入过程更加直接和方便；•☆强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度；•☆G/TURBO模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格；•☆强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等CFD特殊要求的高质量网格。GAMBIT中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格；•☆先进的六面体核心(HEXCORE)技术是GAMBIT所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量；•☆居于行业领先地位的尺寸函数（Sizefunction）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足CFD分析的需要；•☆GAMBIT可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格；•☆可为FLUENT、POLYFLOW、FIDAP、ANSYS等解算器生成和导出所需要的网格和格式。•GAMBIT是windows是不兼容的，想要在windows环境下使用gambit需要安装Exceed软件，安装好后，不用点击运行Exceed，当你运行gambit时，Exceed会自动启动。•2、网格构建过程•本文构建的烟羽模型是室内烟羽模型，网格模型是以一个标准的三室一厅户型为参照构建的，其结构如图2所示：•图2三室一厅效果图•现在假设厨房和右下角卧室有有毒气体泄漏，各个的房间的门都是打开状态，各个房间的窗户也都是打开状态，但是各个房间窗户的风速不同，且流出流入不同。•2.1网格点线面的生成•a.点的输入如图3所示，在操作工具栏中，选择GemoteryCommandButton(1)VertexCommandButton(2)CreateVertexButton(3)然后输入各个点的坐标。图3点的输入图4绘制线•B.线的绘制如图4所示，在操作工具栏中，选择GemoteryCommandButton（1）EdgeCommandButton(2)CreateEdgecommandButton(3)然后输入各个点的坐标。•C.面的生成如图5所示，在操作工具栏中，选择GemoteryCommandButton(1)FaceCommandButton(2)FormFace,然后按住热键shift,用鼠标左击选择要选用的边，选边是要注意，所有边要构成一个封闭区域且每个边必须是单独的边不能包含其他边。选择完成边之后，点击Apply即可生成相应的面，这时要注意，生成的面必须单独成立一个面，每个面不能包含其他的面！•D.网格的生成如图6所示，在操作工具栏中，选择MeshCommandButton(1)FaceCommandButton(2)MeshFaces(3)ChooseFaces(4),选择所有的面SpecifyMeshSpacing(5)ApplyButton(6).•2.2定义边界成•在这节中，烟羽模型的边界条件将被定义，边界条件包括：进出气口、墙体、障碍物和气味源。•a.进出气口墙体的定义•本文中设置厨房的窗户为exhaustfan（排风扇），卫生间和大门为outflow（流出）其他房间的窗户设置为velocity_inlet（速度进口），定义好的边界如图7所示，在操作工具栏中，选择ZonesCommandButton(1)SpecifyBoundaryTypesCommandButton(2)为边界命名（3）选择边界类型（4）按住shift件，用鼠标选择所需边并左击选中(5)按下Apply（6）。•图7•b.指定气味源•如图8所示,在操作工具栏中，选择ZonesCommandButton(1)SpecifyContinuumTypesCommandButton(2)为气味源命名(3)selecttheappropriatecontinuumtype(4)按住shift键，用鼠标左击选择气味源的面(5)点击Apply(6)完成操作。•图8指定气味源•2.3选择解决器和输出网格文件•为了把所画几何模型导入到fluent里面，在这里我们需要规定一个解决器，如下图所示：•然后导出所画的几何图形，导出格式为mesh格式，其相关操作如下图所示：二、生成烟羽•在这一部分，我们要把用gambit所生成的mesh文件导入到fulent中，做进一步设置建模。•先简单介绍一下fluent软件:•FLUENT是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序。它提供了完全的网格灵活性，你可以使用非结构网格，例如二维三角形或四边形网格、三维四面体/六面体/金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动。甚至可以用混合型非结构网格。它允许你根据解的具体情况对网格进行修改（细化/粗化）。•FLUENT是用C语言写的，因此具有很大的灵活性与能力。因此，动态内存分配，高效数据结构，灵活的解控制都是可能的。除此之外，为了高效的执行，交互的控制，以及灵活的适应各种机器与操作系统，FLUENT使用client/server结构，因此它允许同时在用户桌面工作站和强有力的服务器上分离地运行程序。•FLUENT解算器有如下模拟能力：•􀁺用非结构自适应网格模拟2D或者3D流场，它所使用的非结构网格主要有三角形/五边形、四边形/五边形，或者混合网格，其中混合网格有棱柱形和金字塔形。（一致网格和悬挂节点网格都可以）•不可压或可压流动•定常状态或者过渡分析•无粘，层流和湍流•牛顿流或者非牛顿流•对流热传导，包括自然对流和强迫对流•耦合热传导和对流•辐射热传导模型•惯性（静止）坐标系非惯性（旋转）坐标系模型•学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型•热，质量，动量，湍流和化学组分的控制体源•粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，包括了和连续相的耦合多孔流动•一维风扇/热交换模型•两相流，包括气穴现象•复杂外形的自由表面流动•􀁺•当我们决定使FLUENT解决某一问题时，首先要考虑如下几点问题：定义模型目标：从CFD模型中需要得到什么样的结果？从模型中需要得到什么样的精度；选择计算模型；如何隔绝所需要模拟的物理系统，计算区域的起点和终点是什么？在模型的边界处使用什么样的边界条件？二维问题还是三维问题？什么样的网格拓扑结构适合解决问题？物理模型的选取：无粘，层流还湍流？定常还是非定常？可压流还是不可压流？是否需要应用其它的物理模型？确定解的程序：问题可否简化？是否使用缺省的解的格式与参数值？采用哪种解格式可以加速收敛？使用多重网格计算机的内存是否够用？得到收敛解需要多久的时间？•确定所解决问题的特征之后，解决问题的一般步骤是：•创建网格；•运行合适的解算器；•输入网格；•检查网格；•选择解的格式；•选择需要的基本方程；层流还是湍流（无粘），化学组分还是化学反应、热传导模型；•指定材料物理性质；•指定边界条件；•调节器的控制参数；•初始化流场；•计算解；•检查结果；•保存结果导出数据；•本文中的问题是一个二维问题，流动为无层湍流，无热传导，不需考虑特殊物理模型，几何图形，网格，边界位置和类型和网格定义的一样。•其步骤可简化为：读入并检查网格，选择默认的分离解，定义物理模型，指定流体性质，指定边界条件，保存问题的设置，初始化解域，检查结果等。其过程如下图所示：定义边界条件可执行命令中command输入：file/export/asciidata%t.txt()noyesh2sy-velocityx-velocityqno和file/export/dxcon%t.dx()h2sq其中一个是为了输出txt文本文件，一个是为了导出dx文件在初始化之后就可以迭代迭代完成之后点击display选择counter可以查看迭代结果•其结果为：还可通过display显示压力，温度等结果图。下图为速度矢量图。点击fileexport,出下如下图所示的对话框，在这里可以选择所需要输出的数据，但是fluent的后期数据处理能力有限，现在多选用open-DX软件对fluent进行后期数据处理。三、烟羽模型的后期数据处理•Open-DX的简单介绍。建立以下工程将fulent导出的dx数据，添加到以上建立的工程中，运行可得到以下画面