机械学光学丨（1）理解光程长（OPL）

本案例为STAR-CCM+帮助文档案例学习，只是笔记记录！在STAR-CCM+中设置毛细效应问题。模拟甘油的二维强制流，其在大气压通过喷嘴，进入注满空气的腔室。网格同只是此例中的相关物理维度均缩小1000倍，因此，喷嘴宽度约1mm，相关几何体左侧的边界是一个入口，流体速度为1mm/s，而右侧边界处于大气压力下，底部边界是一个对称平面，并且所有其他边界都是实心壁面。最初，左侧腔室注满液体，而求解域的其余部分则注满空气。对于给定几何和入口速度，可将流体假定为层流。正 x 方向的重力作用有助于驱动流体通过喷嘴。喷嘴腔室下游形成的自由表面的形状取决于液体与壁面间的接触角。该接触角指定为 45°。1 导入网格文件① 启动STAR-CCM+。② 选择文件→导入→导入体网格。③ 保存文件。2 转换为2D网格① 选择网格→转换为2D。② 确保已激活转换后删除3D区域选项。③ 删除连续体→物理1。注意：三维网格转换成二维网格要求：a. 网格必须在X-Y平面对齐。b. 网格必须在Z=0位置有一个边界平面。3 缩放网格初始网格并未按正确比例构建，因此需要缩小 1000 倍。① 从菜单中选择网格→比例缩放网格。② 在比例缩放网格对话框中，选择 Default_Fluid 2D 区域， 比例因子设置为0.001。③ 单击应用后，网格区域尺寸会缩小。④ 单击可视化工具栏中的重置视图。4 选择物理模型物理模型定义模拟的主变量，包括压力、温度、速度和用于生成求解的数学公式。在此模拟中，流体是层流，在 +x 方向施加重力。由于该问题还涉及多相流体，需要两种流体（空气和甘油）。但是，由于两种流体占据相同的区域，所以仅需要一个连续体和一个网格即可模拟。选择物理模型如下图所示。5 设置材料特性在欧拉相节点定义各混合物成分所对应的材料。注意：在涉及表面张力效应的多相流体问题中，首先定义密度最大的液体，因为壁面的接触角值始终是相对于首先定义的流体而指定的。要定义相并设置材料特性：① 物理连续体右键选择，模型→欧拉多相→欧拉相，创建新相。② 新建相重命名为C3H8O3③ 对C3H8O相，选择模型。对于 C3H8O3 相，请选择下列模型默认液体材料为H2O，需要进行材料替换。创建第二相，然后将其重命名为空气，空气模型选择。6 定义相间相互作用使用多相交互作用模型可定义空气和液相之间的相互作用。本案例关注的是甘油的表面张力。因此，需要使用表面张力和VOF 多相交互作用模型：① 在物理连续体中，右键选择模型→多相交互作用→相间相互作用→C3H8O→空气。② 对于相间相互作用 1，选择下列模型。表面张力系数值已更改为与相间相互作用相对应。选择相间相互作用1→模型→多相材料→材料属性→表面张量→ 常数，设为 0.059688 N/m。编辑相间相互作用 1 > 模型节点，然后设置下列属性。7 设置初始条件和基准值设置物理连续体的初始条件和基准值。连续体中两个流体的空间分布的初始条件是：只在左腔室中注入甘油，在右腔室和通道内注入空气。指定这种分布的便捷方法是创建并使用场函数。定义场函数，用于指定连续体中甘油的空间分布的初始条件：① 工具→场函数→新建→标量。② 将User Field Function 1重命名为初始分布。③ 定义初始分布，设置属性。④ 同理，建立新的标量，将User Field Function 2重命名为初始分布（空气）。⑤ 定义初始分布（空气），设置属性。设置物理连续体的初始条件和基准值。物理连续体→初始条件→体积分数，进行体积分数设置。物理连续体→参考值→重力方向设置。8 设置边界条件 ① 为壁面边界指定的唯一条件是甘油-空气交界面的接触角，bottom边界为对称面。② middle、topleft、topright边界类型为壁面边界。编辑 middle→相条件→相间相互作用 1→物理值→接触角→常数，设为 45 deg。将middle边界条件 复 制到对topleft、topright边界。③ left边界条件设置为速度入口边界，速度为0.001m/s，体积分数为1:0。④ right边界条件设置为压力出口边界，体积分数为0:1。9 设置求解器参数和停止条件如果要解算非稳态问题，必须指定时间步长和消耗的模拟时间。使用时间步长 0.001 s 运行此计算 2.0 s。① 求解器→隐式非定常→时间步→0.001s。要设置求解器参数和停止条件。② Mmaximum steps③ Mmaximum physical time10 可视化和初始化求解创建标量场景显示模拟结果，查看空气和水的分布情况。① 新建，场景→标量。② 标量场→函数设为体积分数→C3H8O体积分数。③ 选择标量 1 ，并将轮廓样式设置为光滑填充。④ 单击顶部工具栏中的初始化求解。初始状态，整个左腔室注满甘油，而右侧腔室和连接通道完全注满空气。在两个流体之间的交界面可以看到有一块小区域明显存在两种流体，但这种效果是由于网格的粗糙度而造成的。11 运行模拟模拟准备现已结束，可以运行模拟。单击求解工具栏中的运行。输出窗口中会显示求解进度。图形窗口中会自动创建残差屏幕，并在其中显示求解器的进度。您也可单击图形窗口顶部的标量场景 1 选项查看模拟进度。12 根据求解视图创建动画在运行 2s 结束时，标量场景 1 屏幕显示甘油体积分数分布。观测到的接触角的确接近 45°。本系列文章思路，是在看计算流体大叔视频内容后突然想到，多年前曾经做了两年多相流研究相关工作，如今却忘的差不多，于是才从敲击键盘开始，唤醒多相流学习记忆。来源：认真的假装VS假装的认真