VOF：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.  获得本文所用模型的链接如下（体网格导入）：

   资料见附件

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做法是指定较低、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