STAR-CCM | 应用重叠网格技术模拟救生艇落水
本文主要利用重叠网格技术模拟救生船落水过程。首先看模拟的效果：
问题描述
问题示意图如下图所示。救生艇以如下形态落入水中，请问如何利用CFD模拟该过程？其实，H.J.Morch等人在2008年的时候就对这个问题进行过实验研究，这里我们利用CFD技术模拟这个过程。
几何模型
这个问题涉及的几何模型包含两个几何实体，分别是背景流体区域和重叠网格区域，具体如下图所示。
STAR-CCM 设置
创建计算域并设置边界类型
新建一个仿真文件；
选择File > Import > Import Surface Mesh...，然后在弹出的窗口中选择几何模型文件lifeBoatOverset.x_b，将几何文件加载进来，模型如下图所示；
同时选中Geometry>Parts节点下的Background和Overset两个零部件；
右击其中任一个，然后在弹出的菜单中选择Assign Parts to Regions...；
在Assign Parts to Regions对话框中设置如下图所示；
展开Regions>Background>Boundaries节点，设置背景流域各个边界的类型如下表所示；
节点 边界类型 Back Symmetry Plane Bottom Velocity Inlet Inlet Velocity Inlet Outlet Pressure Outlet Symmetry Symmetry Plane Top Velocity Inlet 展开Regions>Overset>Boundaries节点，设置重叠网格区域各个边界类型如下表所示。
节点 边界类型 Boundaries Overset Mesh Lifeboat_Wall Wall Symmetry Symmetry Plane
设置物理模型
新建一个物理模型连续体；
展开Continua>Physics 1节点，双击Models，然后在弹出的窗口中选择物理模型，具体如下图所示。
两个区域的耦合设置
现在Background和Overset这两个区域还是独立的，它们之间并不会产生数据交互，要触发数据交互，就要进行耦合设置，具体步骤如下：
同时选中Background和Overset这两个区域； 右击其中一个区域，然后在弹出的菜单中选择Create Interface>Overset Mesh，这样一个新的Interface节点就会出现在模型树中，也就耦合了Background和Overset这两个区域。
划分体网格
右击Geometry>Operations节点，然后选择New>Mesh>Automated Mesh；
在Create Automated Mesh Operation对话框中，从零部件列表中选择Background；
选择网格划分器：Surface Remesher和Trimmed Cell Mesher，并点击OK；
重命名Automated Mesh节点为Background；
同理创建另一个自动网格划分方法，重命名为Overset，设置输入零部件为Overset，其他参数同上；
右击Geometry>Parts节点，然后选择New Shape Part>Block；
设置两个角点坐标如下表所示；
角点1 角点2 X -28.0m 50.0 m Y 0.0 m 12.0 m Z -45.0 m 0.0 m 点击Create，然后点击Close；
重命名Geometry > Parts > Block节点为Overlap；
同样的方式，创建另一个加密框，命名为Water Surface，设置角点坐标如下表所示；
角点1 角点2 X -125.0 m 125.0 m Y 0.0 m 50.0 m Z -34.0 m -24.0 m 再创建一个名为Boat的加密框，设置角点坐标如下表所示；
角点1 角点2 X -18.0 m 4.0 m Y 0.0 m 5.0 m Z -4.0 m 8.0 m 选择Operations > Background > Default Controls > Base Size节点，设置基准尺寸为5.0 m；
右击Operations > Background > Custom Controls节点，然后选择New>Volumetric Control；
重命名Volumetric Control为Overlap，选择Custom Controls>Overlap节点，设置零部件Parts为Overlap；
选择Custom Controls > Overlap > Controls > Surface Remesher节点，激活Customize Size；
选择Overlap > Values > Custom Size，设置Relative to base为25.0，即网格尺寸为基准值的25%；
选择Custom Controls > Overlap > Controls > Trimmer节点，然后激活Customize Isotropic Size；
在Operations > Background > Custom Controls节点再下新建一个Volumetric Control，重命名为Water Surface；
选择Custom Controls > Water Surface节点，设置Parts为Water Surface；
在Water Surface>Controls>Surface Remesher节点下激活Custom Size选项，并设置表面重构的相对尺寸为100%；
选择Water Surface > Controls > Trimmer节点，并激活Customize Anisotropic Size；
选择Water Surface > Values > Trimmer Anisotropic Size节点，并激活Custom X Size， Custom Y Size 和 Custom Z Size；
选择Trimmer Anisotropic Size > Relative Z Size节点，并设置Percentage of Base为50.0；
选择Background > Meshers > Trimmed Cell Mesher节点，激活Perform Mesh Alignment；
选择Background > Default Controls > Mesh Alignment Location节点，并设置Location为[-125.0, 0.0, 0.0] m；
选择Background > Default Controls > Volume Growth Rate节点，并设置Default Growth Rate为Slow；
设置Surface Growth Rate为Slow；
选择Operations > Overset > Default Controls > Base Size节点，设置基准尺寸为1.0 m；
在Overset自动网格节点下，新建一个体积控制，将其重命名为Boat；
选择Custom Controls > Boat ，设置Parts零部件为Boat；
选择Custom Controls > Boat > Controls > Surface Remesher节点，激活Customize Size；
选择Boat > Values > Custom Size节点，设置Relative to base为50.0；
在软件上部快捷工具栏中点击Generate Volume Mesh，生成体网格，划分好的网格如下图所示。
移动重叠区域
右击Regions > Overset选择Transform > Translate...；
然后在Translate Regions窗口中输入参数如下图所示：
右击Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems节点，然后选择New > Cartesian，然后在Create Cartesian Coordinate System面板中输入如下图所示的参数：
点击Create，并点击Close关闭局部坐标系创建面板，重命名局部坐标系为Boat Rotation；
右击Regions > Overset，然后在弹出的菜单中选择Transform > Rotate...；
在弹出的Rotate Regions窗口中输入如下图所示参数：
旋转后的网格如下图所示：
创建欧拉相
右击Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases节点，然后选择New；
重命名Phase 1为Water；
双击Water>Models节点，然后在Water Model Selection窗口中激活如下图所示的模型：
重复上述步骤创建空气相，激活如下图所示的模型：
设置DFBI运动和六自由度体
打开Tools > Motions节点；
右击Motions节点，然后选择New > DFBI Rotation and Translation，这样就创建了一个新的DFBI Rotation and Translation节点；
选择Regions > Overset > Physics Values > Motion Specification节点，设置运动为DFBI Rotation and Translation；
右击DFBI > 6-DOF Bodies，选择New Body > 3D > Continuum Body；
重命名Body 1为Boat；
选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat节点，点击右边更多按钮，选择Lifeboat_wall边界作为Body Surface；
设置自由体的质量为10000.0 kg；
选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Initial Values > Moment of Inertia节点，设置如下图所示；
选择Initial Values > Center of Mass节点，设置位置为[-8.22, 0.0, -24.329] m；
选择Initial Values > Velocity节点，设置数值为[0.0, 0.0, -22.0] m/s；
选择DFBI > 6-DOF Bodies > Boat > Free Motion节点，设置如下图所示。
定义VOF波
右击Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves节点，然后选择New > Flat；
重命名Flat Vof Wave 1为Flat Wave；
选择Flat Wave节点，设置Point on Water Level为[0.0, 0.0, -30] m，具体如下图所示。
设置初始条件
编辑Continua>Physics 1>Initial Conditions节点，设置属性如下表所示：
| 节点 | 属性 | 设置 |
|---|---|---|
| Volume Fraction | Method | Composite |
| Composite > Water | Method | Field Function |
| Scalar Function | Volume Fraction of Heavy Fluid of Flat Wave | |
| Composite > Air | Method | Field Function |
| Scalar Function | Volume Fraction of Light Fluid of Flat Wave | |
| Velocity | Method | Field Function |
| Vector Function | Velocity of Flat Wave | |
| Pressure | Method | Field Function |
| Scalar Function | Hydrostatic Pressure of Flat Wave |
设置边界条件
编辑Regions>Background>Boundaries>Inlet节点，设置属性如下表所示：
节点 属性 设置 Physics Conditions Velocity Specification Method Components Physics Values Velocity Method Field Function Vector Function Velocity of Flat Wave Volume Fraction Method Composite Composite > Water Method Field Function Scalar Function Volume Fraction of Heavy Fluid of Flat Wave Composite > Air Method Field Function Scalar Function Volume Fraction of Light Fluid of Flat Wave 编辑Regions>Background>Boundaries>Outlet节点，设置属性如下表所示：
节点 属性 设置 Physics Values Pressure Method Field Function Scalar Function Hydrostatic Pressure of Flat Wave Volume Fraction Method Composite Composite > Water Method Field Function Scalar Function Volume Fraction of Heavy Fluid of Flat Wave Composite > Air Method Field Function Scalar Function Volume Fraction of Light Fluid of Flat Wave 编辑Regions>Background>Boundaries>Bottom节点，设置属性如下表所示：
节点 属性 设置 Physics Conditions Velocity Specification Method Components Physics Values Velocity Method Field Function Vector Function Velocity of Flat Wave Volume Fraction Value [1.0, 0.0] 编辑Regions>Background>Boundaries>Top节点，设置属性如下表所示：
节点 属性 设置 Physics Conditions Velocity Specification Method Components Physics Values Velocity Method Field Function Vector Function Velocity of Flat Wave Volume Fraction Value [0.0, 1.0]
求解器设置
选择Solvers>Implicit Unsteady节点，设置时间步长为0.0025 s，并设置时间离散为2阶； 选择Stopping Criteria>Maximum Inner Iterations节点，确认最大内迭代步数为5； 选择Stopping Criteria>Maximum Physical Time节点，设置Max Physical Time为0.5 s； 选择Stopping Criteria>Maximum Steps节点，取消激活Enable。
设置场景
新建一个标量场；
重命名Scalar Scene 1节点为Volume Fraction of Water；
选择Scenes>Volume Fraction of Water>Scalar 1>Parts节点，点击Parts属性右侧的“更多”按钮；
然后在弹出的Parts对话框中选择边界如下图所示；
展开Scenes>Volume Fraction of Water>Scalar 1，选择Scalar Field，然后设置函数为Volume Fraction>Volume Fraction of Water。
计算结果
点击工具栏中的初始化，可以看到初始流场结果如下图所示；、
计算结束后形成的动画结果如文章开头所示。完。
