STAR CCM 案例｜波浪中的小船

 本文摘要（由AI生成）：

本文介绍了使用STAR CCM 2021.3软件进行的一个随机案例模拟过程。内容涵盖了设置求解参数、创建自由等值面和水面Colormap、显示自由面、添加DFBI显示、输出图片和报告等步骤。特别地，设置了隐式非稳态求解器、指定了时间步长和最大物理时间，并通过模型树节点创建和配置了等值面、场景和报告。最后，进行了初始化并计算了船体在波浪中的运动，展示了Z方向平动位移和Y方向转动角度随时间的变化，以及船体与波浪的等值面。案例提供了下载链接，方便日后查阅和练习。

本教程演示在STAR CCM 中使用带有自由表面流的6DOF求解器模拟船体面对迎面而来的波浪作用下的运动。

1 导入计算网格

• 启动STAR CCM 并新建Simulation
• 利用菜单File → Import → Import Volume Mesh… 导入网格文件 Boat.ccm

计算网格如下图所示。

2 选择物理模型

• 右键选择模型树节点Continua > Physics 1

• 选择以下物理模型
• Three-Dimensional
• Implicit Unsteady
• Multiphase
• Volume of Fluid (VOF)
• Turbulent
• K-Epsilon Turbulence
• Gravity
• VOF Waves

选择完毕后的模型对话框如下图所示。

3 设置介质材料

• 右键选择模型树节点Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases，点击弹菜单项New创建介质Water

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

• 在对话框中选择Liquid及Constant Density，如下图所示

• 创建另一个介质，命名为Air，选择Gas与Constant Density，如下图所示

4 选择6-DOF模型

• 右键选择模型树节点Tools > Motions，点击弹出菜单项New > DFBI Rotation and Translation创建一个DFBI运动

• 选择模型树节点Regions > Region 1 > Physics Values > Motion Specification，指定参数Motion为DFBI Rotation and Translation

5 设置初始化条件

6-DOF求解器必须指定物体的初始方位。本案例定义一个局部坐标系，其中x轴为船体的前进方向，z轴为船体的垂直方向。

• 右键选择模型树节点Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems，点击弹出菜单项New → Cartesian新建笛卡尔坐标系

• 如下图所示设置，创建新的局部坐标系

坐标系创建完毕后，图形窗口中可以看到局部坐标系，如下图所示。

• 修改新创建的节点名为Initial ship orientation

6 创建6-DOF体

• 右键选择模型树节点DFBI → 6-DOF Bodies，点击弹出菜单项New Body > 3D > Continuum Body，修改新创建的节点名称为Boat

• 选中新创建的节点Boat，如下图所示设置
• 指定Body Surface为hull
• 指定Body Mass为400 kg
• 指定Release Time为0.5 s

注：这里的Release Time为弛豫时间，指的是在计算0.5s后才考虑作用在船体上的力。设置为0.5仅仅只是为了考虑计算的稳定性，其实设置为0也可以。

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• 选中模型树节点Boat > Initial Values >Moment of Interia，如下图所示设置
• 指定Diagonal Components为**[1000,1000,1000] kg/m2**
• 指定Coordinate System为Laboratory-> Inital ship orientation
• 激活选项Use Center Of Mass

• 选中节点Boat > Initial Values > Center of Mass，设置 Coordinate System 为Laboratory->Initial ship orientation

• 选中节点Boat > Free Motion，激活选项Z Motion及Y Rotation，限制船体只能沿Z方向平动与Y方向转动

7 定义波浪

• 选中模型树节点Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves，点击右键菜单New → Fifth Order创建波浪

• 修改新创建的节点Fifth Order Vof Wave 1 名称为Head Wave，并如下图所示设置节点参数

• 选中节点Waves > Head Wave → Wave Length Specification，设置Wave Length为6 m

8 定义初始条件

• 选中模型树节点Continua > Physics 1 > Initial Conditions，按下表内容定义其子节点

9 设置边界条件

• 进入节点Regions > Region_1 > Boundaries > inlet，按下表内容设置参数

• 进入节点Regions > Region_1 > Boundaries > pressure，按下表内容设置参数

10 设置求解参数

• 选中模型树节点Solvers > Implicit Unsteady，指定Time-Step为**0.01 s **

• 选中节点Stopping Criteria > Maximum Physical Time，如下图所示指定最大计算时间为4 s

11 创建自由等值面

创建等值面用于显示水。

• 右键选择模型树节点Derived Parts，点击弹出菜单项New Part > Isosurface....

• 按下图所示设置等值面参数，修改节点名称为Water Surface

12 创建Colormap

• 右键选择模型树节点Tools > Colormaps，点击弹出菜单项New

• 如下图所示，创建Colormap

• 修改新创建的节点 user 1 名称为Water 2

13 显示自由面

• 右键选择节点Scene，点击弹出菜单项New Scene → Scalar新建节点Scalar Scene 1

• 选中节点Scenes > Scalar Scene 1 > Outline 1，取消选中选项Outline

• 选中节点Scalar 1  > Parts，指定Parts为Water Surface

• 选中节点Scalar Field，指定Function为Volume Fraction of Water

• 选中节点Scalar 1 > Color Bar，指定Color Map为前面创建的water 2，取消选项Visible

• 选中节点Scalar 1
• 指定Contour Style为Smooth Filled
• 设置Tranform为symmetry 1

• 右键选中节点Lights，点击弹出菜单项Head Light

14 创建DFBI显示

• 右键选择模型树节点Scalar Scene 1，点击弹出菜单项New Displayer → DFBI添加DFBI显示

• 选中节点DFBI 1 > Parts，指定Parts为Boat

• 选中节点DFBI 1，如下图所示指定参数Opacity为0.5，设置Transform为symmetry 1

• 选中节点Scalar Scene 1，点击弹出菜单项New Displayer → DFBI增加新的DFBI显示

• 选中模型树节点DFBI 2 → Parts，指定Parts为Fluid Force and Moment

• 选中节点DFBI 2 > Relative Size，指定Vectgor Glyph Lnegth(%)为50

15 输出图片

• 选中模型树节点Scenes > Scalar Scene 1 > Attributes > Update，指定Trigger为Time Step

16 输出报告

• 右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > DFBI > 6-DOF Body Translation

• 修改新创建的模型树节点6-DOF Body Translation 1名称为Z Translation，并指定Direction为**[0,0,1]**

• 右键选择模型树节点Reports，点击弹出菜单项New Report > DFBI > 6-DOF Body Orientation创建新节点Y Rotation，如下图所示设置新创建节点的属性参数

• 同时选中节点Y Rotation及Z Translation，点击右键菜单Create Monitor and Plot from Report

• 打开的对话框中，选择按钮Multiple Plots(one per report)

17 初始化并计算

• 选择菜单Solution → Initialze Solution进行初始化

• 初始化等值图如下图所示

• 点击菜单Solution → Run开始计算

18 计算结果

• Z方向平动位移随时间变化

• Y方向转动角度随时间变化

• 船体运动与波浪等值面

本案例为STAR CCM 2021.3随机案例，留此备日后查阅。

练习文件下载：

下载链接见附件

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（案例结束）