基于STAR-CCM 的VOF模型重力驱动流体

本文将展示如何在 STAR-CCM 中设置重力驱动流体。其模拟了通过连接两个腔室的通道的二维重力驱动可压缩流体。

几何体显示如下：最初，左侧腔室注满水，右侧腔室和连接通道注满空气。除应用恒定（大气压）静压的水平左上表面以外，所有边界均为实心壁面。

在重力作用下，水按照假定的湍流条件流入右侧腔室。同时，水也会流入左上边界以保持恒定液位。右侧腔室的压力会因空气压缩而增大，导致整个压力边界的流率降低。经过一段时间后，所有流体元素均静止不动，处于液压静力平衡状态。

导入网格，命名模拟

1.  获得本文所用模型（体网格导入）：请下载附件

2.  将模拟另存为 freeSurface.sim。

转换为二维网格

导入的文件是一个网格单元为三维多面体单元网格，对于将三维网格转换为二维网格，STAR-CCM 有特殊要求。这些要求是：

• 网格必须与 X-Y 平面对齐。

• 网格必须在 Z = 0 位置有一个边界平面。

1. 选择网格 > 转换为 2D。

   显示将区域转换为 2D 对话框。

2. 请确保已激活转换后删除 3D 区域选项。

3. 单击确定。

   单击确定后，从 Z 方向看，几何场景 1 屏幕中发生网格转换并会显示新二维网格。鼠标旋转选项被抑制为二维场景。
   

4. 右键单击连续体 > 物理 1 节点，然后选择删除。

5. 在确认对话框中单击。

可视化网格内部

1. 在模拟树中，选择场景 > 几何场景 1 > 显示器 > 几何 1 节点。

2. 要显示面网格，请激活网格属性。

    内部网格结构如下所示。

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。 

在此示例中，流体是湍流。使用默认的 K-Epsilon 湍流模型，并在 -y方向施加重力。由于该问题还涉及多相流体，因此分析需要两种流体（空气和水）。但是，由于这两种流体占据相同的域，所以仅需一个连续体和一个网格即可设置模拟。默认情况下，当网格转换为二维时会创建一个称为物理 1 2D 的连续体。 

要选择物理模型： 

1. 将物理 1 2D 节点重命名为腔室

2. 对于物理连续体连续体 > 腔室，按顺序选择下列模型：

    3.单击关闭。

    4.要查看模型，请打开腔室 > 模型节点。

设置材料特性 

在欧拉相节点下定义各个混合物成分所对应的材料。 

要定义相并设置材料特性：

    1. 在腔室连续体中，选择模型 > 欧拉多相 > 欧拉相节点，然后创建一个新相。

    2. 将相 1 节点重命名为 H2O。

    3. 对于 H2O 相，请选择下列模型：

    4. 单击关闭。

    5. 创建第二相，然后将其重命名为空气。

    6. 对于空气相，请选择下列模型：

    7. 单击关闭。

欧拉多相节点包含相模型对象，如下所示：

默认选择的材料（水和空气）适合本练习，所以无需替换为 STAR-CCM 材料数据库中的其他材料。现有的空气材料特性是合适的，但必须更改水的动力粘度。

    8. 选择 H2O > 模型 > 液体 > H2O > 材料特性 > 动力粘度 > 常数节点，然后将动力粘度值改为 0.001002 Pa-s。

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。定义一个场函数，用于指定连续体中两个流体的空间分布初始条件。

对于最初静止流体的常规作法是指定较低、非零的湍流参数值。如果这些量都设为零，则会出现数值问题。

连续体中的两个流体空间分布的初始条件是：只在左腔室中注入水，在右腔室和通道内注入空气。两种流体均是静止的。指定这种分布的便捷方法是创建并使用场函数。

重力矢量的方向和幅值已使用基准值节点进行设置。在这种情况下，应在负 y 方向施加重力。

要设置初始条件和基准值：

定义场函数，用于指定连续体中两个流体的空间分布的初始条件：

    1. 右键单击工具 > 场函数节点，然后在弹出菜单中选择新建 > 标量。

    2. 将用户场函数 1 重命名为初始分布。

    3. 选择初始分布节点，然后设置下列属性：

    4.再建立一个场函数，命名为初始分布（air）

设置腔室连续体的初始条件和基准值。

    5. 编辑初始条件节点，然后设置下列属性：

    6.空气的体积分数也设置为场函数，选择场函数-初始分布（air）

    7. 编辑基准值节点，然后设置下列属性，基准值为-9.81：

设置边界条件

定义边界类型并指定适当的属性值。本教程所用的几何体有六个边界。将无滑移壁面条件分配给其中五个边界，然后为剩余边界分配压力边界条件。

要设置边界条件：

    1. 将 Default_Fluid 2D 节点重命名为流体。

    2. 编辑流体 > 边界节点，然后如下所示设置边界类型：

默认条件适用于壁面边界，但必须重置压力边界的条件。

    3. 编辑左上 > 物理值节点，然后设置下列属性：

体积分数设置可执行仅液态水通过边界进入求解域的条件。

    4. 保存模拟。

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 0.005 s 运行此计算 5.0 s。

要设置求解器参数和停止条件：

    1. 编辑求解器节点，然后设置下列属性：

    2. 编辑停止标准节点，然后设置下列属性：

    3. 保存模拟。

可视化和初始化求解 

创建标量场景以显示模拟结果。您可以在整个运行期间查看空气和水的分布情况。

要可视化模拟结果：

    1. 右键单击场景节点，然后选择新建场景 > 标量。显示标量场景 1 屏幕。    

    2. 选择新场景 > 标量场景 1 > 显示器 > 标量 1 > 标量场节点，然后将函数设为体积分数 > 水体积分数。

    3. 选择标量 1 节点，并将轮廓样式设置为光滑填充。

    4.初始化。

    5. 激活标量场景 1 屏幕以查看初始化结果。

运行初期，整个左腔室注满水，而右腔室和连接通道完全注满空气。在两个流体之间的交界面处可以看到有一块小区域明显存在两种流体，但是这种效果是由于网格的粗糙度造成的。

运行模拟 

模拟准备现已结束，可以运行模拟。

要运行模拟：

    1. 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 选项卡来查看模拟进度。

如果任其自然，则模拟将继续，直至完成 1000 个时间步。输出窗口中显示的数字表示内迭代数，而不是求解器执行的时间步数。由于每个时间步进行 5 次内迭代，所以您会运行多达 5000 次内迭代。当完成最后一次迭代时，输出窗口中会显示下列信息：Stopping criterion Maximum Physical Time satisfied。

    2. 当模拟完成运行时保存模拟。

可视化结果 

查看模拟结果。 

在运行 5.0 s 结束时，标量场景 1 屏幕显示水体积分数分布

压力分布：

以动画显示结果

1. 边界Topleft开口，其余全是壁面
   

   

2.边界全是壁面