本教程演示在STAR CCM+中使用帶有自由表面流的6DOF求解器模擬船體面對迎面而來的波浪作用下的運動。

1 導入計算網格

• 啟動STAR CCM+并新建Simulation
• 利用菜單 File → Import → Import Volume Mesh… 導入網格文件 Boat.ccm

計算網格如下圖所示。

2 選擇物理模型

• 右鍵選擇模型樹節點 Continua > Physics 1

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

選擇完畢后的模型對話框如下圖所示。

3 設置介質材料

• 右鍵選擇模型樹節點 Continua > Physics 1 > Models > Multiphase > Eulerian Phases，點擊彈菜單項 New創建介質 Water

• 右鍵選擇模型樹節點 Eulerian Phases > Water ，點擊彈出菜單項 Select Models… 打開模型選擇對話框

• 在對話框中選擇 Liquid及Constant Density，如下圖所示

• 創建另一個介質，命名為 Air，選擇 Gas與Constant Density，如下圖所示

4 選擇6-DOF模型

• 右鍵選擇模型樹節點 Tools > Motions，點擊彈出菜單項 New > DFBI Rotation and Translation創建一個DFBI運動

• 選擇模型樹節點 Regions > Region 1 > Physics Values > Motion Specification，指定參數 Motion為 DFBI Rotation and Translation

5 設置初始化條件

6-DOF求解器必須指定物體的初始方位。本案例定義一個局部坐標系，其中x軸為船體的前進方向，z軸為船體的垂直方向。

• 右鍵選擇模型樹節點 Tools > Coordinate Systems > Laboratory > Local Coordinate Systems，點擊彈出菜單項 New → Cartesian新建笛卡爾坐標系

• 如下圖所示設置，創建新的局部坐標系

坐標系創建完畢后，圖形窗口中可以看到局部坐標系，如下圖所示。

• 修改新創建的節點名為 Initial ship orientation

6 創建6-DOF體

• 右鍵選擇模型樹節點 DFBI → 6-DOF Bodies，點擊彈出菜單項 New Body > 3D > Continuum Body，修改新創建的節點名稱為 Boat

• 選中新創建的節點 Boat，如下圖所示設置
• 指定 Body Surface為 hull
• 指定 Body Mass為 400 kg
• 指定 Release Time為 0.5 s

注：這里的Release Time為弛豫時間，指的是在計算0.5s后才考慮作用在船體上的力。設置為0.5僅僅只是為了考慮計算的穩定性，其實設置為0也可以。

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• 選中模型樹節點 Boat > Initial Values >Moment of Interia，如下圖所示設置
• 指定 Diagonal Components為**[1000,1000,1000] kg/m2**
• 指定 Coordinate System為 Laboratory-> Inital ship orientation
• 激活選項 Use Center Of Mass

• 選中節點 Boat > Initial Values > Center of Mass，設置 Coordinate System 為 Laboratory->Initial ship orientation

• 選中節點 Boat > Free Motion，激活選項 Z Motion及Y Rotation，限制船體只能沿Z方向平動與Y方向轉動

7 定義波浪

• 選中模型樹節點 Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves > Waves，點擊右鍵菜單 New → Fifth Order創建波浪

• 修改新創建的節點 Fifth Order Vof Wave 1 名稱為 Head Wave，并如下圖所示設置節點參數

• 選中節點 Waves > Head Wave → Wave Length Specification，設置 Wave Length為 6 m

8 定義初始條件

• 選中模型樹節點 Continua > Physics 1 > Initial Conditions，按下表內容定義其子節點

9 設置邊界條件

• 進入節點 Regions > Region_1 > Boundaries > inlet，按下表內容設置參數

• 進入節點 Regions > Region_1 > Boundaries > pressure，按下表內容設置參數

10 設置求解參數

• 選中模型樹節點 Solvers > Implicit Unsteady，指定 Time-Step為**0.01 s **

• 選中節點 Stopping Criteria > Maximum Physical Time，如下圖所示指定最大計算時間為 4 s

11 創建自由等值面

創建等值面用于顯示水。

• 右鍵選擇模型樹節點 Derived Parts，點擊彈出菜單項 New Part > Isosurface....

• 按下圖所示設置等值面參數，修改節點名稱為 Water Surface

12 創建Colormap

• 右鍵選擇模型樹節點 Tools > Colormaps，點擊彈出菜單項 New

• 如下圖所示，創建Colormap

• 修改新創建的節點 user 1 名稱為 Water 2

13 顯示自由面

• 右鍵選擇節點 Scene，點擊彈出菜單項 New Scene → Scalar新建節點 Scalar Scene 1

• 選中節點 Scenes > Scalar Scene 1 > Outline 1，取消選中選項 Outline

• 選中節點 Scalar 1  > Parts，指定 Parts為 Water Surface

• 選中節點 Scalar Field，指定 Function為 Volume Fraction of Water

• 選中節點 Scalar 1 > Color Bar，指定 Color Map為前面創建的 water 2，取消選項 Visible

• 選中節點 Scalar 1
• 指定 Contour Style為 Smooth Filled
• 設置 Tranform為 symmetry 1

• 右鍵選中節點 Lights，點擊彈出菜單項 Head Light

14 創建DFBI顯示

• 右鍵選擇模型樹節點 Scalar Scene 1，點擊彈出菜單項 New Displayer → DFBI添加DFBI顯示

• 選中節點 DFBI 1 > Parts，指定Parts為 Boat

• 選中節點 DFBI 1，如下圖所示指定參數 Opacity為 0.5，設置 Transform為 symmetry 1

• 選中節點 Scalar Scene 1，點擊彈出菜單項 New Displayer → DFBI增加新的DFBI顯示

• 選中模型樹節點 DFBI 2 → Parts，指定Parts為 Fluid Force and Moment

• 選中節點 DFBI 2 > Relative Size，指定 Vectgor Glyph Lnegth(%)為 50

15 輸出圖片

• 選中模型樹節點 Scenes > Scalar Scene 1 > Attributes > Update，指定 Trigger為 Time Step

16 輸出報告

• 右鍵選擇模型樹節點 Reports，點擊彈出菜單項 New Report > DFBI > 6-DOF Body Translation

• 修改新創建的模型樹節點 6-DOF Body Translation 1名稱為 Z Translation，并指定 Direction為**[0,0,1]**

• 右鍵選擇模型樹節點 Reports，點擊彈出菜單項 New Report > DFBI > 6-DOF Body Orientation創建新節點 Y Rotation，如下圖所示設置新創建節點的屬性參數

• 同時選中節點 Y Rotation及Z Translation，點擊右鍵菜單 Create Monitor and Plot from Report

• 打開的對話框中，選擇按鈕 Multiple Plots(one per report)

17 初始化并計算

• 選擇菜單 Solution → Initialze Solution進行初始化

• 初始化等值圖如下圖所示

• 點擊菜單 Solution → Run開始計算

18 計算結果

• Z方向平動位移隨時間變化

• Y方向轉動角度隨時間變化

• 船體運動與波浪等值面

本案例為STAR CCM+2021.3隨機案例，留此備日后查閱。

練習文件下載：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1Zr64cZKPA2HM9E5BXj4MFA 提取碼：acz5

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（案例結束）

文章來源：CFD之道