STAR CCM 案例｜喷泉

本算例演示利用STAR CCM 中的Resolved VOF-Lagrangian Transition 模型模型模拟喷泉。其中涉及到液体介质从从连续相转化为离散相的过程模拟。

计算结果如下图所示。

注：本算例取自STAR CCM 的随机案例文档。

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在STAR-CCM  模拟中，混合多相流是指使用多个不同多相流模型的组合对多相介质的多个流态进行模拟。这种模拟功能拓宽了现实生活中多相流的模拟范围。

在混合多相流模拟中，每个多相模型都涵盖特定的流态。通过考虑局部流动条件和网格单元尺寸的相相互作用来处理流态之间的相的转变。此类模拟有多种应用，例如车辆水管理（挡风玻璃雨刷、后视镜）、电动机中的喷油冷却或多相泵等。

1 问题描述

在本算例中，将模拟开放环境中简单喷泉的流动。以下屏幕截图显示了模拟中显示的几何形状和不同的流态：

自由表面水射流以 5 m/s 的速度离开圆柱形喷泉几何体进入空气域中，从而在水和空气之间形成大尺度的界面。射流的初级破裂产生大的连续水滴和水带。这两种流态都使用VOF 模型进行建模。

大水滴和液带分解成较小的水滴。当球形水滴的直径低于某个阈值（本算例为 5 mm）时，其会转变为使用拉格朗日多相模型跟踪其路径的拉格朗日水滴。VOF 到 Lagrangian 的转换由 Resolved VOF-Lagrangian Transition 模型处理。当拉格朗日水滴和 VOF 斑点撞击地面时，会在地面会形成薄膜水坑，可以积聚到水池中。薄水膜可以通过液膜模型以非解析的方式进行建模，或者通过 VOF 模型以解析的方式进行建模。自适应网格细化 (AMR) 用于沿水-空气自由表面局部细化网格。一旦 VOF 水滴转变为拉格朗日液滴，AMR 就会粗化网格。

本教程侧重于演示设置混合多相仿真的工作流程。

2 STAR CCM 设置

• 启动STAR CCM 2021.2并新建Simulation
• 利用菜单File → Load加载文件fountain_start.sim

2.1 生成计算网格

• 右键选择模型树节点Operations → Automated Mesh，选择弹出菜单项Execute 执行网格划分过程

计算网格如下图所示。

2.2 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Physics 1，点击弹出菜单项Select Models… 打开物理模型选择对话框

选择下表所示的物理模型。

注：最核心的选项在于自适应网格与自适应时间步长。

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选择完毕后的对话框如下图所示。

2.3 自适应网格与自适应时间步长

• 选择模型树节点Physics 1 → Adaptive Mesh ，属性窗口中激活选项Limit Cell Size，设置参数Min Adaption Cell Size 为0.003 m

• 鼠标右键选择模型树节点Models → Adaptive Mesh → Adaptive Mesh Criteria，点击弹出菜单项New → Free Surface Mesh Refinement 创建新的节点Free Surface Mesh Refinement

• 选中上一步创建的新节点Free Surface Mesh Refinement ，属性窗口中设置如下参数
• 设置Max Refinement Level 为4
• 设置Resolution Criterion for Interface Detection 为10
• 其它参数保持默认设置

• 鼠标右键选择模型树节点Adaptive Time-Step → Time-Step Providers，点击弹出菜单项New → Free Surface CFL Condition ，其它参数保持默认设置

2.4 定义相

1、创建欧拉相Air

• 鼠标右键选择模型树节点Multiphase → Eulerian Phases，点击弹出菜单项New 新建流体相，重新命名为Air

• 右键选择节点Air ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 选择如下表所示的选项

设置完毕的对话框如下图所示。

2、创建欧拉相water

• 相同的方法创建第二种相，并命名为water，设置其Material为Liquid，指定其Equations of State为Constant Density

3、创建颗粒相Droplets

• 右键选择模型树节点Lagrangian Multiphase ，点击弹出菜单项New 新建颗粒相，修改其名称为Droplets

• 右键选择节点Droplets ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 如下表所示选择颗粒相的模型参数

选择完毕后的对话框如下图所示。

4、创建液膜相Water Film

• 右键选择模型树节点Fluid Film → Fluid Film Phases ，点击弹出菜单项New 创建液膜相，命名为Water Film

• 右键选择节点Water Film ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框，选择如下表所示的模型参数

设置完毕后的对话框如下图所示。

注：这里定义了四种相，包括Air、Water、Droplets、Water Film。

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2.5 设置相间作用及流型转换

相间相互作用描述了空气和水两相之间的相互影响。在混合多相流模型设置中，可以使用相间相互作用来控制水向其他不同流型的转变。本算例需要考虑5种相间相互作用。

1、创建Air-Water相互作用

• 右键选择模型树节点Physics 1 > Models > Multiphase Interaction > Phase Interaction ，点击弹出菜单项New → Air → water
• 将新创建的节点命名为Air-Water

• 右键选择模型树节点Air-Water ，点击弹出菜单项Select Models… 打开模型选择对话框

• 按下表所示选择模型参数

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

2、创建Water-Droplet相互作用

• 按下图所示创建水和液滴之间的相间作用Water-Droplet

• 如下图所示打开模型选择对话框

• 选择下表所示模型参数

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

这里利用Field Function定义连续相water破碎为液滴的转化判据。大液滴（VOF滴）和液带通过VOF模型计算，液带随后分裂成液滴。只有小于指定转化长度的球形VOF液相才会转化为拉格朗日液滴。

转化判据定义为：

其中为转化长度尺度，为水滴的球形度。球形度是指在相同的圆球体积下，理想球体的表面积与圆球实际表面积的比值。转化判据是指只有球形度大于0.7，直径小于5 mm的VOF液滴才能转化到拉格朗日液滴。利用VOF-Lagrangian模型处理这个转化过程。

• 右键选择模型树节点Tools → Field Functions ，点击弹出菜单项New → Scalar 创建函数Blob Sphericity Criterion

• 如下图所示设置Function Name 为blobSphericityCriterion，设置Definition 为${BlobSphericity} > 0.7 ? 0.005 : 0

• 如下图所示，选择模型树节点VOF-Lagrangian Impingement ，设置属性Scalar Function 为Blob Sphericity Criterion

3、创建Droplet-Film相互作用

• 如下图所示创建液滴与液膜相间相互作用并重命名为Droplet-Film

• 右键选择节点Droplet-Film → Models ，点击弹出菜单项**Select Models…**打开模型选择对话框

选择以下模型选项。

选择完毕后的对话框如下图所示。

4、创建Water-Water Film相互作用

• 如下图所示创建水相与液膜相之间的相互作用，并命名为Water-Water Film

• 如下图所示为相间作用添加物理模型

• 添加模型选项Multiphase Material及Resolved Fluid Film，添加完毕后模型对话框如下图所示

5、创建Air-Water Film相互作用

• 如下图所示创建空气与液膜之间相互作用，命名为Air-Water Film

• 如下图所示为相间作用添加物理模型

• 添加模型选项Multiphase Material及Surface Tension，添加完毕后模型对话框如下图所示

2.5 设置边界条件

1、为液膜创建壳区域

• 右键选择模型树节点Regions → Fountain → Boundaries → Floor ，点击弹出菜单项Create Shell Region 创建壳体区域，软件会自动创建新的节点Floor Shell

• 选择模型树节点Floor shell，属性窗口中设置参数Continuum 为Water Film ，如下图所示

2、设置Inflow边界

• 如下图所示，设置边界Inflow的速度为5 m/s，设置体积分数为**[0,1]**，表示进入区域的全部为Water

3、压力出口边界

• 同时选择Sides节点与Sky节点下的Volume Fraction ，指定其值为**[1.0, 0.0]** ，表示这两个边界回流介质为空气

4、颗粒边界条件

• 展开节点Continua > Physics 1 > Models > Lagrangian Multiphase，选中节点Lagrangian Phases > Water Droplets > Boundary Conditions > Fluid-Film Boundary > Physics Conditions > Mode ，属性窗口中指定Active Mode 为Fluid Film

• 选中节点Boundary Conditions > Wall > Physics Conditions > Mode node ，属性窗口中指定Active Mode 为VOF Conversion

2.6 创建入射器

• 右键选择模型树节点Injectors ，点击弹出菜单项New 新建入射器Injector 1

• 选中节点Injector 1，在属性窗口中设置如下参数

设置完毕后如下图所示。

2.7 显示多流型多相流流动

1、创建等值面

创建等值面用于显示空气-水分界面。

• 右键选择模型树节点Derived Parts ，点击弹出菜单项New Part → Isosurface…打开设置对话框

• 按下图所示顺序及参数进行设置

2、创建求解历程文件

• 右键选择模型树节点Solution Histories ，点击弹出菜单项New… 打开文件保存对话框，保存文件名为fountain

• 选择模型树节点Solution Histories > fountain，设置如下参数

设置完毕后如下图所示。

• 选择节点fountain > Update > Time-Step Frequency ，设置参数Frequency 为50

3、设置Scene

• 展开模型树节点Scenes > Multi-Regime Flow
• 选择模型树节点Multi-Regime Flow > Water > Parts ，设置属性框参数Parts 为Derived Parts > Isosurface
• 设置模型树节点Droplets ，按下表所示参数进行设置

• 设置模型树节点Water Film ，设置下面的参数

2.8 设置计算参数

• 选择模型树节点Solvers → Implicit Unsteady ，设置Time-Step 为3.0e-4 s

• 选中模型树节点Solvers > Adaptive Mesh > Trigger > Time-Step Frequency ，设置Frequency 为50

• 选中节点Lagrangian Multiphase > Two-Way Coupling > Volume Source Smoothing Method ，指定Method 为Cell Cluster

• 选中节点Stopping Criteria > Maximum Physical Time ，指定Maximum Physical Time 为1.5 s

• 选中节点Maximum Steps ，取消选中选项Enable

• 选择模型树节点Continua → Physics 1 → Initial Conditions → Volume Fraction ，设置Value 为**[1.0 ,0.0]**，表示初始时刻计算域内全部为空气

• 点击菜单Solution → Run 开始计算

3 计算结果

• 喷水过程如下图所示

STAR CCM 中的Resolved VOF-Lagrangian Transition 模型等同于Fluent中的VOF-to-DPM模型，是最近几个版本中才提供的新模型。

案例相关文件：

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